UJI PERFORMANSI TURBIN PELTON DENGAN 24 SUDU PADA HEAD 9,41 METER DENGAN MENGGUNAKAN SATU NOSEL DAN ANALISA PERBANDINGAN MENGGUNAKAN VARIASI BENTUK SUDU SKRIPSI

(1)

UJI PERFORMANSI TURBIN PELTON

DENGAN 24 SUDU PADA HEAD 9,41 METER

DENGAN MENGGUNAKAN SATU NOSEL

DAN ANALISA PERBANDINGAN MENGGUNAKAN

VARIASI BENTUK SUDU

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

MAY MARTIN SITUMORANG

NIM. 080401051

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

UJI PERFORMANSI TURBIN PELTON

DENGAN 24 SUDU PADA HEAD 9,41 METER

DENGAN MENGUNKAN SATU NOSEL

DAN ANALISA PERBANDINGAN DENGAN MENGUNAKAN

VARIASI BENTUK SUDU

MAY MARTIN SITUMORANG NIM. 08 0401 051

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

ABSTRAK

Penelitian ini bertujuan untuk meneliti Turbin Pelton untuk Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) dengan variasi bentuk sudu dan variasi bukaan katup. Variasi bentuk sudu yang digunakan adalah bentuk sudu mangkok dan bentuk sudu setengah silinder sedangkan variasi bukaan katupnya adalah 60o_{, 75}o_{, 90}o_{. Langkah}_-_{langkah yang dilakukan dalam penelitian ini}

meliputi, perancangan, pembuatan, dan pengujian menggunakan dinamometer untuk mengetahui karakteristik turbin. Turbin yang diuji memiliki nosel tunggal, dengan jumlah sudu 24 buah. Dari data pengujiaan pada sudu mangkok maupun sudu setengah silinder memiliki kecenderungan yang sama pada karakteristik grafiknya. Tetapi daya dan efisiensi yang dihasilkan turbin pada sudu mangkok lebih besar dibandingkan dengan sudu setengah silinder yaitu sebesar 112,99 Watt dan 55,92 % pada sudu mangkok dan sebesar 73,49 Watt dan 36,37 % pada sudu setengah silinder.

(12)

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadiran Tuhan Yang Maha Esa karena atas berkat dan karunia-Nya penulis akhirnya dapat menyelesaikan skripsi ini dengan

judul “UJI PERFORMANSI TURBIN PELTON DENGAN 24 SUDU PADA

HEAD 9,41 METER DENGAN MENGGUNAKAN SATU NOSEL DAN ANALISA PERBANDINGAN MENGGUNAKAN VARIASI BENTUK

SUDU”.

Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub Bidang Konversi Energi,

Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa dan bantuan baik materil maupun moril dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Oleh karena itu dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terima kasih kepada :

1. Bapak Ir. Tekad Sitepu selaku dosen pembimbing, yang dengan penuh

kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.

2. Bapak Dr. Ing. Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik

Mesin Universitas Sumatera Utara.

3. Bapak Ir. M. Syahril Gultom MT. Selaku Sekretaris Departemen Teknik

Mesin Universitas Sumatera Utara.

4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom MT selaku dosen pembanding I dan dan Bapak

Dr. Ing. Ir Ikhwansyah Isranuri selaku dosen pembanding II yang memberikan masukan kepada penulis.

5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin yang

telah berjasa membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.

6. Kedua orang tua penulis, J. Situmorang dan R. br Sitorus yang sangat berjasa

memberikan bantuan dan dorongan dalam bentuk apapun dan tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, doa serta kasih sayangnya yang tak

terhingga kepada penulis.

7. Kakak penulis Nora Novitauly Situmorang dan adik-adik penulis Novita Sari

(13)

8. Rekan-rekan satu tim kerja, Frans Ade P. Tampubolon, Bernardus L. Gaol,

Bona Halasan Nababan yang telah bersama-sama untuk menyelesaikan

skripsi ini.

9. Teman-teman seperjuangan dari Tim HORAS, Tim Vortex, Tim NACA, Tim

Hidram, dan Tim Pengering yang turut membantu dan mendukung untuk menyelesaikan skripsi ini.

10. Rekan-rekan mahasiswa stambuk 2008 yang tidak mungkin disebutkan satu

-persatu, para abang senior dan adik-adik junior semua yang telah mendukung

dan memberi semangat kepada penulis.

Penulis menyadari bahwa mungkin ada beberapa kesalahan dan kekeliruan dalam penulisan skripsi ini. Oleh karena itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima kritik dan saran yang membangun untuk memperbaiki skripsi ini untuk kepentingan ilmu pengetahuan.Semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca dan akhir kata Penulis mengucapkan banyak terima kasih.

Medan, April 2013

(14)

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... ii

DAFTAR ISI ... iv

DAFTAR TABEL ... vii

DAFTAR GAMBAR ... vii

DAFTAR SIMBOL ... ix

AKSARA YUNANI ... xii

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Maksud dan Tujuan Penelitian ... 3

1.3 Batasan Masalah ... 4

1.4 Metodologi Penelitian ... 4

1.5 Keluaran Skripsi ... 5

1.6 Sistematika Penulisan... 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1Turbin Air ... 7

2.1.1 Klasifikasi Turbin Air ... 8

2.1.2 Perbandingan Karakteristik Turbin Air ... 13

2.1.3 Head Turbin ... 15

2.2Turbin Pelton ... 19

(15)

2.2.2 Karakteristik Grafik Turbin Pelton ... 23

2.3Karakteristik Turbin Pelton Yang Digunakan... 25

2.4Dinamometer ... 26

2.5Efisiensi Turbin (

𝜼

_𝑻 ) ... 27

BAB III METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN 3.1 Umum... 29

3.2 Pengujian Turbin Pelton ... 30

3.3 Rancang Bangun Instalasi ... 36

3.4 Peralatan Pengujian ... 37

3.4.1 Hand Tachometer ... 37

3.4.2 Meteran ... 38

3.4.3 Flow Meter Digital ... 39

3.4.4 Pompa Pengumpan ... 40

3.5 Pelaksanaan Pengujian ... 41

BAB IV HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN 4.1 Perhitungan Efisiensi Turbin Pelton Pada Head 9,41 Meter Denagn Menggunakan Satu Nosel (Bukaan Nosel 90º) Dengan Menggunakan 24 Sudu Mangkok ... 45

4.2 Grafik Hasil Pengujian Dengan 24 Sudu Mangkok Bukaan Katub 90° ... 53

4.3 Perhitungan Efisiensi Turbin Pelton Pada Head 9,41 Meter Denagn Menggunakan Satu Nosel

(16)

Dengan Menggunakan 24 Sudu Mangkok ... 55

4.4 Grafik Hasil Pengujian Dengan 24 Sudu Mangkok

Bukaan Katub 75° ... 62

(Bukaan Nosel 60º)

Dengan Menggunakan 24 Sudu Mangkok ... 64

4.6 Grafik Hasil Pengujian Dengan 24 Sudu Mangkok

Bukaan Katub 60° ... 71

(Bukaan Nosel 90º)

Dengan Menggunakan 24 Sudu Setengah Silinder ... 73

4.8 Grafik Hasil Pengujian Dengan 24 Sudu Setengah

Silinder Bukaan Katub 90° ... 76

(Bukaan Nosel 75º)

(17)

Meter Denagn Menggunakan Satu Nosel (Bukaan Nosel 60º)

4.13 Grafik Perbandingan Hasil Pengujian Turbin Dengan 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katub

60°,75°,90° ... 89

4.14 Grafik Perbandingan Hasil Pengujian Turbin

Dengan 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katub

60°,75°,90° ... 92

4.15 Grafik Karakteristik Turbin Pelton Sudu Mangkok ... 95

4.16 Grafik Karakteristik Turbin Pelton Sudu Setengah

Silinder ... 98

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan ... 101

5.2 Saran... 103

DAFTAR PUSTAKA

(18)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Kecepatan Spesifik Turbin ... 14

Tabel 2.2 Kecepatan Spesifik (𝑁𝑠) ... 19

Tabel 4.1 Head Losses Minor pada Pipa 4 inci. ... 47

Tabel 4.2 Head Losses Minor pada Pipa 2 inci. ... 48

Tabel 4.3 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Turbin 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 90º ... 52

Tabel 4.4 Head Losses Minor pada Pipa 4 inci ... 57

Tabel 4.10 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Turbin 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 90º ... 75

Tabel 4.12 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Turbin 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 60º ... 84

(19)

Gambar 2.1 Turbin Cross Flow ... 9

Gambar 2.2 Turbin Pelton ... 10

Gambar 2.3 Turbin Francis ... 12

Gambar 2.4 Turbin Propeler ... 13

Gambar 2.5 Perbandingan Karakteristik Turbin ... 14

Gambar 2.6 Daerah penggunaan dari beberapa jenis konstruksi turbin yang berbeda ... 15

Gambar 2.7 Diagram Bernoulli Untuk Turbin Air. ... 17

Gambar 2.8 Runner Turbin Pelton. ... 20

Gambar 2.14 Gambar Kecepatan Turbin vs Daya Turbin (rpm vs P). ... 24

Gambar 2.15 Gambar Kecepatan Turbin vs Efisiensi (rpm vs ɳ). ... 25

Gambar 2.16 Dinamo Meter. ... 27

Gambar 3.1 Sudu dan Runner Turbin Pelton Sebelum Dirakit. ... 31

Gambar 3.2 Turbin Pelton Setelah Dirakit. ... 31

Gambar 3.3 Instalasi Pipa untuk Turbin Pelton. ... 37

Gambar 3.4 Hand Tachometer ... 38

Gambar 3.5 Meteran. ... 38

Gambar 3.6 Flow Meter Digital ... 40

Gambar 3.7 Pompa Pengumpan ... 40

Gambar 4.1 Grafik Beban (N) vs Efisiensi (%) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 90º ... 53

Gambar 4.2 Grafik Beban (N) vs Putaran (rpm) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 90º ... 54

(20)

Gambar 4.4 Grafik Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 75º. ... 62

Gambar 4.5 Grafik Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 75º ... 63

Gambar 4.6 Grafik Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 75º. ... 64

Gambar 4.7 Grafik Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 60º. ... 71

Gambar 4.8 Grafik Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 60º. ... 72

Gambar 4.9 Grafik Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 60º ... 73

Gambar 4.10 Grafik Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 90º ... 76

Gambar 4.11 Grafik Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 90º. ... 77

Gambar 4.12 Grafik Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 90º. ... 78

Gambar 4.13 Grafik Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 75º. ... 81

Gambar 4.16 Grafik Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 60º. ... 86

(21)

Gambar 4.20 Grafik Perbandingan Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Mangkok Pada Bukaan 60º, 75º, 90º. ... 90

Gambar 4.21 Grafik Perbandingan Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 24 Buah Sudu Mangkok Pada Bukaan 60º, 75º, 90º. ... 91

Gambar 4.22 Grafik Perbandingan Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Pada Bukaan 60º, 75º, 90º ... 92

Gambar 4.23 Grafik Perbandingan Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Pada Bukaan 60º, 75º, 90º ... 93

Gambar 4.24 Grafik Perbandingan Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Pada Bukaan 60º, 75º, 90º ... 93

Gambar 4.25 Grafik Karakteristik Debit (Q) vs Efisiensi Maksimal Turbin (%) Sudu Mangkok. ... 95

Gambar 4.26 Grafik Karakteristik Daya Air (W) vs Efisiensi Turbin (%) Sudu Mangkok. ... 95

Gambar 4.27 Grafik Karakteristik Kecepatan Turbin (rpm) vs Efisiensi Turbin (W) Sudu Mangkok. ... 96

Gambar 4.28 Grafik Karakteristik Kecepatan Turbin (rpm) vs Efisiensi Turbin (%) Sudu Mangkok. ... 97

Gambar 4.29 Grafik Karakteristik Debit (Q) vs Efisiensi Maksimal Turbin (%) Sudu Setengah Silinder. ... 98

Gambar 4.30 Grafik Karakteristik Daya Air (W) vs Efisiensi Turbin (%) Sudu Setengah Silinder. ... 99

Gambar 4.31 Grafik Karakteristik Kecepatan Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) Sudu Setengah Silinder. ... 99

Gambar 4.32 Grafik Karakteristik Kecepatan Turbin (rpm) vs Efisiensi Turbin (%) Sudu Setengah Silinder... 100

DAFTAR SIMBOL

(22)

m Massa kg

g Kecepatan gravitasi bumi 9,81 m/s

z Selisih ketinggian m

C Koefisien kerugian pipa -

ℎ𝑓 Head losses mayor m

ℎ𝑚 Head losses minor m

Ƭ Torsi Nm

(23)

LAMBANG ARTI SATUAN

𝜂𝑇 Efisiensi turbin %

γ (gamma) Berat Jenisa N/m3

ρ (rho) Massa Jenis kg/m3