TUGAS AKHIR
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Mesin
Oleh : Julianto NIM : 065214048
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
2010
THE CROSSFLOW TURBINE WITH 1.25 RATIO OF L/D
AND 74 DEGREE OF CENTRAL ANGLE
FINAL PAPER
Presented as Fulfillment of the Requirements For the Degree of Sarjana Teknik In Mechanical Engineering Study Programme
By : Julianto
Student Number : 065214048
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY
SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA
2010
A drop of ink can move a million people to think. Setetes tinta bisa menggerakan sejuta manusia untuk berfikir.
Laziness makes a man so slow that poverty soon overtake him.
Kemalasan membuat seseorang begitu lamban sehingga kemiskinan segera menyusul.
The man who says he never has time is the laziest man.(lichtenberg)
orang yang mengatakan tidak punya waktu adalah orang yang pemalas.(lichterberg)
Real power does not hit hard , but straight to the point.
Kekuatan yang sesungguhnya tidak memukul dengan keras , tetapi tepat sasaran
One ounce of prevent is equal to one pound of medicine. Satu ons pencegahan sama nilainya dengan satu pon obat.
Politeness is the oil which reduces the friction against each other. (demokritus). Sopan-santu adalah ibarat minyak yang mengurangi gesekan satu dengan yang lain.
(demokritus).
If you leave everything to your good luck, then you make your life a lottery. Jika anda mengantungkan diri pada keberuntungan saja, anda membuat hidup anda
seperti lotere.
Being careful in judging an opinion is a sign of wisdom.
Kehati-hatian dalam menilai pendapat orang adalah ciri kematangan jiwa.
Knowledge and skills are tools, the workman is character.
Pengetahuan dan keterampilan adalah alat, yang menentukan sukses adalah tabiat.
We can take from our life up to what we put to it.
Apa yang bisa kita dapat dari kehidupan kita tergantung dari apa yang kita masukkan ke situ.
You recognize birds from their singging, you do people from their talks. Burung dikenal dari nyanyiannya, manusia dari kata-katanya.
Lihatlah masalah sebagai bagian kehidupan. Ketika masalah muncul, tegakkan kepala, hadapi, dan katakan, “aku akan lebih besar daripada kamu, kamu tidak
akan bias mengalahkanku.” (Ann Landers)
Saya tidak patah semangat, karena setiap usaha yang salah adalah satu langkah maju.
(Thomas Alva Edison)
Kesuksesan lebih diukur dari rintangan yang berhasil diatasi seseorang saat berusaha untuk sukses daripada dari posisi yang telah diraihnya dalam kehidupan.
(Booker T. Washingtong)
Orang yang bisa mengatasi keinginannya lebih berani daripada orang yang bisa menaklukkan musuhnya; karena kemenangan yang paling sulit diraih adalah
kemenangan atas dirinya sendiri. (Aristoteles)
Manusia tidak menjadi terhormat atas apa yang ia terima. Kehormatan diberikan kepada orang yang memberi.
(Calvin Coolidge)
Dipersembahkan untuk Tuhan Yang Maha Esa Ayah Bun Kim Sin Ibu Cong Khiun Fa Elisabeth Jeanny Oetama yang tersayang Seluruh keluarga besar dan teman-teman
Pembuatan sudu turbin aliran silang dapat menggunakan pipa yang dibelah dengan busur tertentu. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari unjuk kerja turbin aliran silang dengan sudu dari bilah pipa yang digunakan untuk pembangkit listrik.
Peralatan yang digunakan adalah sebuah turbin aliran silang. Sudu turbin dibuat dari pipa dengan diameter 2 inch. Diameter runner adalah 156 mm dengan panjang runner 196 mm. Jumlah sudu pada runner 18 buah dan busur sudu 74°. Penelitian dilakukan dengan memvariasikan debit yaitu 6,8 L/s, 7,6 L/s, dan 8,1 L/s dan tinggi nosel 7 mm, 10 mm, 14 mm. Untuk menghasilkan listrik, turbin dihubungkan dengan generator. Pengukuran daya yang dihasilkan turbin dilakukan dengan mengukur tegangan dan arus yang dihasilkan generator pada kondisi generator diberi variasi pembebanan dari 10 W, 20 W, 30 W, 40 W, 50 W, sampai dengan 250 W. Pada setiap pembeban, putaran turbin diukur dengan tachometer.
Turbin Aliran Silang dengan busur sudu 74o dan jumlah sudu 18 mampu menghasilkan daya maksimum sebesar 12,43 watt dan memiliki efisiensi 5,30 %. Hasil tersebut didapat pada variasi tinggi nosel 7 mm dan debit 6,8 L/s. Jumlah sudu pada runner dan diameter runner mempengaruhi besarnya daya yang dihasilkan oleh turbin. Selain itu, semakin besar putaran turbin aliran silang, maka efisiensi yang dihasilkan akan semakin besar hingga mencapai titik tertentu dimana tercapai daya maksimum kemudian daya akan turun kembali walaupun putaran turbin aliran silang terus naik.
Kata kunci : turbin aliran silang, bilah pipa.
KATA PENGANTAR
Puji Syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan bimbingan-Nya dalam penyusunan skripsi berjudul “TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN PERBANDINGAN L/D 1,25 DAN BUSUR SUDU 74°”.
Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta, sekaligus sebagai wujud harapan dan cita-cita penulis untuk selalu belajar tanpa batas.
Penyusunan skripsi ini tidak mungkin dapat terlaksana dengan baik tanpa adanya bantuan dan kerjasama dari berbagai pihak yang terkait. Pada kesempatan ini, dengan segala kerendahan hati, penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada : 1. Bapak Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T, selaku Dekan Fakultas Sains dan
Teknologi Universitas Sanata Dharma serta Dosen Pembimbing Tugas Akhir ini.
2. Bapak Budi Sugiharto, S.T, M.T, selaku Ketua Prodi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.
3. Bapak Ir. YB. Lukiyanto, M.T. selaku Dosen Pembimbing Akademik.
4. Segenap Dosen di Jurusan Teknik Mesin, yang telah membimbing selama kuliah di Universitas Sanata Dharma.
6. Bapak Intan Widanarko, Bapak Martono DS, Bapak Wardoyo, dan Bapak Rony Windaryawan yang telah banyak membantu saya dalam menyelesaikan alat Tugas Akhir ini.
7. Bapak Tri Widaryanto dan segenap karyawan Sekertariat Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma serta semua karyawan serta staff Universitas Sanata Dharma.
8. Ayah dan Ibu tercinta yang telah memberikan semua yang diperlukan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
9. Abang, kakak, dan adik-adik saya yang telah memberikan dukungan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
10. Elisabeth Jeanny Oetama yang tersayang yang telah memberi dukungan, menemani , dan memberikan saran selama pengerjaan Tugas Akhir ini.
11. Teman-teman sekelompok penelitian microhydro : Timo Sembiring, Tjen Edison, Valentina Apri Rustiaji dan yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu yang telah banyak membantu selama pembuatan alat, pengambilan data, dan penyusunan skripsi.
12. Florensius Phangestu yang telah memberikan dukungan dan bantuan selama mengerjakan Tugas Akhir ini.
13. Teman-teman mahasiswa angkatan 2005 dan 2006 Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma dan semua pihak yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu.
Penulis menyadari sepenuhnya bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna karena keterbatasan pengetahuan yang dimiliki penulis. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari pembaca untuk menyempurnakan Tugas Akhir ini. Akhir kata, semoga Tugas Akhir ini dapat berguna bagi pembaca semua.
Penulis
HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ... iii
HALAMAN PENGESAHAN... iv
HALAMAN PERSEMBAHAN ... v
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA. ... vii
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH. ... viii
INTISARI... ix
KATA PENGANTAR ... x
DAFTAR ISI... xiii
DAFTAR TABEL... xvii
DAFTAR GAMBAR………. xviii
DAFTAR LAMPIRAN………... xix
BAB I. PENDAHULUAN ... 1
1.1.Latar Belakang Masalah... 1
1.2. Rumusan Masalah ... 3
1.3. Tujuan dan Manfaat ... 4
1.3.1. Tujuan ... 4
1.3.2. Manfaat ... 4
BAB II. DASAR TEORI ... 5
2.1. Tinjauan Pustaka ... 5
2.2. Turbin Air ... 8
2.2.1. Definisi Turbin Air... 8
2.2.2. Jenis-Jenis Turbin Air ... 8
2.3. Turbin Aliran Silang ... 9
2.3.1. Bagian Turbin Aliran Silang ... 10
2.4. Pergerakan Air Turbin Aliran Silang ... 13
2.5. Perancangan Turbin Aliran Silang ... 16
2.5.1. Segitiga Kecepatan... 16
2.5.2. Perhitungan Dimensi Turbin ... 17
2.5.3 Perhitungan Generator………... 24
2.5.4 Perhitungan rasio transmisi………. 25
BAB III. METODE PENELITIAN ... 26
3.1. Diagram Alir Penelitian ... 26
3.2. Bahan Dan Peralatan Penelitian ... 27
3.2.1. Bahan Penelitian ... 27
3.2.2. Peralatan Penelitian... 27
3.3 Langkah-Langkah Penelitian Alat………... 27
3.3.1 Persiapan Alat………. 27
3.3.2 Variabel yang Diukur………. 31
3.3.3 Variabel yang Divariasi………... 31
3.4.1. Desain Alat... 33
3.4.2. Rancangan Turbin Aliran Silang... 34
3.4.3. Pembuatan Tower Air ... 43
3.4.4. Pembuatan Turbin Air... 44
A. Pembuatan Rumah Turbin……… 44
B. Pembuatan Roda Jalan (Runner)………... 45
C. Perakitan Turbin Aliran Silang………. 47
D. Langkah-Langkah Pemasangan Turbin Aliran Silang.. 47
BAB IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 48
4.1. Data Penelitian ... 48
4.2. Hasil Perhitungan ... 50
4.2.1 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Daya Output Generator………. 53
4.2.2 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Efisiensi Total……. 55
4.3 Pembahasan……….. 57
BAB V. PENUTUP... 61
5.1. Kesimpulan ... 61
5.1. Saran... 61
DAFTAR PUSTAKA ... 63
LAMPIRAN……… 64
Tabel 4.1 Data Penelitian Dengan Tinggi Nozzle 14 mm dan Debit 8,1 L/s...48 Tabel 4.2 Data Penelitian Dengan Tinggi Nozzle 10 mm dan Debit 7,6 L/s...48 Tabel 4.3 Data Penelitian Dengan Tinggi Nozzle 7 mm dan Debit 6,8 L/s ...49 Tabel 4.4 Perhitungan Data Dengan Tinggi Nozzle 14 mm dan Debit 8,1 L/s....51 Tabel 4.5 Perhitungan Data Dengan Tinggi Nozzle 10 mm dan Debit 7,8 L/s....51 Tabel 4.6 Perhitungan Data Dengan Tinggi Nozzle 7 mm dan Debit 6,8 L/s...52
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Grafik Hubungan Putaran Turbin dengan Efisiensi ... 7
Gambar 2.2 Grafik Hubungan Putaran Turbin dengan Daya ………... 7
Gambar 2.3. Turbin Crossflow... 10
Gambar 2.4. Runner ... 11
Gambar 2.5. Alat Pengarah ... 11
Gambar 2.6. Rumah Turbin ... 12
Gambar 2.7. Bagian-bagian motor induksi ... 13
Gambar 2.8. Aliran Pergerakan Air pada Turbin Crossflow ... 15
Gambar 2.9. Defleksi Pada Pergerakan Air Pada Turbin Crossflow... 15
Gambar 2.10. Segitiga kecepatan pada Turbin Crossflow... 16
Gambar 2.11 Gabungan Segitiga Kecepatan Pada Turbin Aliran Silang.... 17
Gambar 2.12. Kelengkungan Sudu ... 19
Gambar 2.13 Jarak Antar Sudu ... 20
Gambar 2.14 Alur Pancaran Air………. 21
Gambar 3.1 Skema Alat Penelitian………... 29
Gambar 3.2. Rangkaian Listrik ... 29
Gambar 3.3 Urutan Kerja Alat Uji... 30
Untuk Variasi Debit 7,6 L/s dan Tebal Nosel 10 mm ………. 53 Gambar 4.3 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Daya Output Generator Untuk Variasi Debit 8,1 L/s dan Tebal Nosel 14 mm ………. 54 Gambar 4.4 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Daya Output
Generator ……….. 54 Gambar 4.5 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Efisiensi Total
Untuk Variasi Debit 6,8 L/s dan Tebal Nosel 7 mm...………. 55 Gambar 4.6 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Efisiensi Total
Untuk Variasi Debit 7,6 L/s dan Tebal Nosel 10 mm....…… 55 Gambar 4.7 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Efisiensi Total
Untuk Variasi Debit 8,1 L/s dan Tebal Nosel 14 mm....…… 56 Gambar 4.8 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Efisiensi Total……... 56
BAB I PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Setelah pulih dari krisis moneter pada tahun 1998, Indonesia mengalami lonjakan hebat dalam konsumsi energi. Dari tahun 2000 hingga tahun 2004 konsumsi energi primer Indonesia meningkat sebesar 5,2 % per tahunnya. Peningkatan ini cukup signifikan apabila dibandingkan dengan peningkatan kebutuhan energi pada tahun 1995 hingga tahun 2000, yakni sebesar 2,9 % pertahun. Dengan keadaan yang seperti ini, diperkirakan kebutuhan listrik indonesia akan terus bertambah sebesar 4,6 % setiap tahunnya, hingga diperkirakan mencapai tiga kali lipat pada tahun 2030.
Hal ini sangat mengkhawatirkan manusia karena ketersediaan sumber energi yang tidak dapat diperbarui akhir-akhir ini mulai menipis dan mahalnya energi bahan bakar fosil dan efek buruk hasil pembakaran dari bahan bakar fosil berupa polutan yang berpotensi merusak ozon dan potensi pemanasan global. Untuk mengatasi hal itu maka dikembangkan berbagai bentuk energi alternatif dengan memanfatkan energi alam berupa energi surya, air, dan angin.
Air merupakan salah satu sumber daya alam yang tidak terbatas jumlahnya. Air juga memiliki potensi yang sangat besar dan dapat digunakan sebagai sumber energi yang dapat menggantikan penggunaan energi fosil. Air merupakan sumber
energi yang bersih karena tidak menghasilkan polutan, selain itu air juga tidak mempunyai potensi merusak ozon maupun potensi pemanasan global.
Dari data yang dikeluarkan oleh Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral Republik Indonesia, pemanfaatan energi air di Indonesia masih sangat kecil, baru sekitar 25 % dari potensi yang bisa mencapai 75000 MW. Di Indonesia terdapat 1315 kawasan yang berpotensi menjadi sumber energi tenaga air, dan daerah-daerah tersebut tersebar di seluruh kepulauan Indonesia. Daerah-daerah yang diprediksi memiliki potensi tersebut, antara lain : Papua 22371 MW, Kalimantan 21611 MW, Sumatera 15804 MW, Sulawesi 10203 MW, Jawa 4531 MW, Nusa Tenggara (Bali, NTB dan NTT) 674 MW dan Maluku 430 MW. Data-data di atas merupakan sumber pembangkit tenaga air dengan kapasitas besar, belum termasuk sumber-sumber pembangkit tenaga air dengan kapasitas kecil. Untuk memanfaatkan potensi tersebut diperlukan suatu teknologi terapan agar masyarakat kecil dapat menyediakan energi listrik secara swadaya.
3
dibuat dari pipa yang dibelah, sehingga pembuatannya lebih mudah. Pembuatan runner yang mudah akan membuat biaya yang dikeluarkan menjadi lebih murah.
Masyarakat akan dapat membuat sendiri sehingga masyarakat dapat berswadaya energi listrik. Sampai sekarang ini pemanfaatan pipa dibelah sebagai sudu turbin crossflow tidak banyak dilakukan sehingga informasi mengenai unjuk kerjanya
kurang diketahui.
Unjuk kerja sebuah turbin crossflow sangat dipengaruhi oleh banyak parameter antara lain adalah jumlah sudu, sudut pancaran air masuk, sudut keluar, posisi pancaran air masuk, lintasan aliran air di dalam turbin, rasio lebar dan diameter turbin, rasio diameter dan diameter luar serta manufaktur runner maupun nosel.
1.2 RUMUSAN MASALAH
1.3 TUJUAN DAN MANFAAT 1.3.1 Tujuan
a. Membuat turbin crossflow dengan menggunakan sudu dari pipa yang dibelah untuk pembangkit listrik agar mudah dibuat oleh masyarakat. b. Untuk mengetahui daya dan efesiensi turbin crossflow yang besar
busur sudunya 74º dan jumlah sudu 18 buah. 1.3.2 Manfaat
a. Menambah kepustakaan teknologi pembangkit listrik tenaga air mikrohidro.
b. Diterapkan di masyarakat yang berada dekat sumber air dan belum mendapat pasokan listrik sehingga dapat menyediakan energi listrik secara swadaya.
c. Mengurangi ketergantungan terhadap minyak bumi yang semakin menipis dan mahal.
d. Mengurangi polusi dan pemanasan global.
5
BAB II DASAR TEORI
2.1 TINJAUAN PUSTAKA
Unjuk kerja turbin crossflow dipengaruhi oleh banyak parameter antara lain
adalah jumlah sudu, sudut pancaran air masuk, sudut keluar, posisi pancaran air
masuk, lintasan aliran di dalam turbin, rasio lebar, dan diameter runner, rasio
diameter dalam dan diameter luar serta manufaktur runner maupun nozzle.
Penelitian tentang turbin crossflow banyak dilakukan untuk sudu yang dibuat
dari plat yang dilengkung. Turbin crossflow yang dilengkapi dengan saluran pengarah
di dalam runner-nya pernah dibuat dan diuji (Olgun, 2000). Saluran pengarah dibuat
dengan tujuan untuk mengumpulkan dan mengarahkan air yang keluar dari sudu atas
agar dapat menuju sudu bawah dengan lebih baik. Tiga bentuk saluran telah dibuat
dan diuji dengan berbagai variasi posisi saluran pengarah serta variasi bukaan nozzle.
Penambahan saluran di dalam runner ternyata tidak menaikkan efisiensi tetapi justru
menurunkan efisiensi turbin crossflow sebesar 5%.
Penelitian terhadap pengaruh perbandingan diameter dalam dan diameter luar
runner juga telah dilakukan (Olgun, 1998). Dalam penelitian ini digunakan 4 buah
runner. Runner yang diuji mempunyai jumlah sudu 28 buah, diameter luar 170 mm,
dibuat berbeda. Perbandingan diameter dalam dan diameter luar yang digunakan
adalah 0,75, 0,65, 0,58 dan 0,54. Sudut masuk pancaran air dipilih sebesar 16o. Hasil
penelitian menunjukkan bahwa efisiensi tertinggi dicapai pada perbandingan 0,75 dan
terendah pada perbandingan 0,54 dengan perbedaan sebesar 3%. Efisiensi yang biasa
dicapai adalah sebesar 72%.
Penelitian terhadap pengaruh sudut nozzle menunjukkan bahwa efisiensi akan
semakin besar jika sudut nozzle semakin besar (Khosrowpanah, 1988). Penelitian ini
menggunakan 3 buah runner dengan jumlah sudu 20, 15, dan 10 serta 1 buah runner
dengan diameter setengah dari diameter runner yang lain, sedangkan jumlah sudunya
20. Dari penelitian ini juga didapatkan bahwa efisiensi tertinggi dari tiap runner
dicapai pada kecepatan spesifik yang sama. Semakin banyak jumlah sudu akan
memberikan efisiensi yang semakin tinggi, namun jumlah sudu tersebut ada batasnya.
Untuk sudut nozzle tertentu efisiensi maksimum dicapai pada jumlah sudu tertentu.
Ada jumlah sudu optimum untuk sudut nozzle tertentu (Joshi, 1995).
Pada penelitian Mockmore dan Fred Merryfield dengan head 16 feet (4,87 m),
debit 3 cfs (85 L/s), sudut pancaran air masuk (α) 16o, dan jumlah sudu 18 buah
menghasilkan daya 2,75 HP dan efisiensi 68%. Dari grafik hubungan putaran turbin
dengan efisiensi terlihat bahwa semakin besaran putaran turbin aliran silang , maka
efisiensi yang dihasilkan akan semakin besar hingga mencapai tertentu dimana
tercapai efisiensi maksimum kemudian efisiensi akan turun kembali walaupun turbin
7
Gambar 2.1 Grafik hubungan putaran turbin dengan efisiensi
2.2 TURBIN AIR 2.2.1 Definisi Turbin Air
Turbin air adalah suatu mesin berputar yang mengkonversi energi dari suatu
gerakan aliran air menjadi energi mekanis. Energi mekanis ini kemudian ditransfer
melalui suatu poros untuk mengoperasikan generator. Turbin air digunakan pada
Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) untuk mengubah energi mekanik menjadi
energi listrik, dengan memanfaatkan aliran dan tinggi air jatuh. Air di bawah tekanan
tinggi di dalam dam dilepaskan ke dalam suatu saluran dimana akan menggerakkan
impeler turbin sehingga menyebabkan putaran yang cepat. Daya mekanis ini
kemudian ditransfer ke generator oleh suatu poros dan kemudian akan menghasilkan
energi listrik. Pemilihan suatu turbin tergantung pada karakteristik lokasi, karena
ditentukan tinggi air jatuh dan kapasitas air. Selain itu pemilihan turbin juga
tergantung dari kecepatan putar yang diminta oleh generator.
2.2.2 Jenis-Jenis Turbin Air
Terdapat berbagai jenis turbin air yang digunakan untuk penyediaan
kebutuhan energi listrik. Turbin air biasanya dikelompokkan berdasarkan kegunaan
tertentu, kapasitas aliran, dan tinggi air jatuh. Oleh karena itu, turbin air
diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara. Secara umum turbin air dikelompokkan
menurut tinggi air jatuh (head) dan juga prinsip kerja turbin tersebut merubah energi
9
Tabel 2.1 Pengelompokan Turbin
Head Tinggi Head Sedang Head Rendah
Turbin Impuls Turbin Pelton
Turbin Turgo
Turbin Crossflow
Turbin Pelton
Multi Jet
Turbin Turgo
Turbin Crossflow
Turbin Reaksi Turbin Francis Turbin Kaplan
2.3 TURBIN ALIRAN SILANG
Gambar 2.3 Turbin Crossflow
(Sumber : http://europa.eu.int/en/com/dg17/hydro/layman2.pdf)
Turbin aliran silang (crossflow) dikembangkan oleh Michell (Australia) dan
Bangki (Honggaria), sehingga turbin ini disebut juga turbin Michell-Bangki. Turbin
aliran silang disebut juga turbin ossberger, yaitu arah aliran masuk air ke sudu turbin
secara radial. Air dialirkan melewati sudu-sudu jalan yang berbentuk silinder,
pertama-tama air dari luar masuk melalui sudu-sudu silinder dan kemudian dari
dalam keluar melalui sudu-sudu. Aliran air yang melewati sudu ada dua tingkatan.
dari tingkat pertama yaitu 72 % dari tingkat kedua. Tingkat kedua, air keluar melalui
sudu bagian bawah. Daya yang dihasilkan kurang lebih 28% dari daya yang
dihasilkan pada tingkat pertama.
Turbin aliran silang (crossflow) sangat baik digunakan untuk pusat tenaga air
yang kecil dengan daya yang dihasilkan ± 750 KW. Ketinggian head yang bisa
digunakan yaitu diatas 1 m sampai dengan 200 m. Kapasitas aliran air 0,02 m3/detik
sampai dengan 7 m3/detik. Kecepatan putaran turbin aliran silang antara 60 rpm
sampai 200 rpm. Hal ini dipengarui oleh diameter roda jalan. Aliran turbin aliran
silang sangat besar yaitu mencapai 87 %. Dengan daerah daya turbin yang disebut di
atas, turbin aliran silang cocok digunakan untuk menggerakan penggilingan,
penggergaji kayu, generator listrik kecil, pompa-pompa.
2.3.1 Bagian Turbin Aliran Silang
Pada dasarnya turbin aliran silang terdiri dari tiga bagian utama, yaitu:
1. Roda Jalan
Bagian utama dari turbin crossflow adalah runner yang terdiri dari sudu yang
terbuat dari pipa yang dibelah, dua disk/piringan, dan poros yang dirangkai
11
Gambar 2.4 Runner
2. Alat Pengarah
Alat pengarah pada turbin sering disebut dengan nozzle. Nozzle pada turbin
aliran silang berbentuk persegi panjang. Ukuran nozzle disesuaikan dengan
ukuran runner turbin.
Gambar 2.5 Alat Pengarah
3. Rumah Turbin
Rumah turbin digunakan untuk memasang turbin agar dapat berputar. Rumah
turbin dilengkapi dengan bantalan agar poros turbin dapat berputar tanpa adanya
Gambar 2.6 Rumah Turbin
Turbin aliran silang dapat digunakan untuk menggerakkan generator listrik
kecil. Untuk itu perlu adanya komponen tambahan yang disebut generator asinkron
(motor induksi). Generator asinkron berfungsi mengubah energi mekanis menjadi
energi listrik arus bolak-balik.
Generator asinkron memiliki 3 bagian yang penting, yaitu :
a. Rotor
Rotor merupakan bagian yang berputar pada motor induksi. Generator
asinkron (motor induksi) mempunyai 2 jenis rotor yaitu :
• Rotor sangkar tupai terdiri dari batang penghantar tebal yang dilekatkan
dalam petak-petak slots paralel. Batang-batang tersebut diberi hubungan
pendek pada kedua ujungnya dengan alat cincin hubungan pendek.
• Lingkaran rotor yang memiliki gulungan tiga fase yaitu : lapisan ganda dan
13
b. Stator
Stator dibuat dari sejumlah stampings dengan slots untuk membawa gulungan
tiga fase. Gulungan ini dilingkarkan untuk sejumlah kutub yang tertentu.
Gambar 2.7 Bagian-bagian motor induksi
Prinsip generator asinkron adalah medan magnet yang dari stator bergerak
dengan kecepatan sinkron disekitar rotor. Arus rotor menghasilkan medan magnet
kedua yang berusaha melawan medan magnet stator sehingga menyebabkan rotor
berputar.
2.4 PERGERAKAN AIR TURBIN ALIRAN SILANG
Dari kapasitas air dan tinggi air jatuh dapat diperoleh potensi daya air yang
tersedia yaitu (Dietzel, 1996, hal. 2) :
H Q g
Dengan :
Pin : Daya yang tersedia (W).
ρ : Massa jenis air (kg/m3)
g : Percepatan gravitasi (m/s2)
Q : Debit air (m3/s)
H : Tinggi air jatuh (m)
Pada gambar 2.6 diasumsikan bahwa pancaran air dari nosel masuk ke dalam
runner pada titik A dengan membentuk sudut α terhadap kecepatan kelilingnya.
Kecepatan air memasuki runner (V1) dihitung dengan (Mockmore, 1949, hal 6) :
(
)
121 C 2 g H
V = ⋅ ⋅ ⋅ ...2.2
Dengan :
V1 = Kecepatan absolut.
C = Koefisien berdasarkan nosel
α adalah sudut antara kecepatan absolut dengan kecepatan keliling lingkaran
runner dan β adalah sudut antara kecepatan relatif dengan kecepatan keliling
lingkaran runner. Dengan indek 1 menandakan kecepatan masuk dan indek 2
15
Gambar 2.8 Aliran pergerakan air pada Turbin Crossflow (Sumber : Mockmore, 1949, hal. 6)
Alur pergerakan air pada kenyataannya tidak seperti yang terdapat dalam
(gambar 2.6) karena terdapat defleksi sebesar θ seperti dalam (gambar 2.7).
2.5 PERANCANGAN TURBIN ALIRAN SILANG 2.5.1 Segitiga Kecepatan
Sudut β1 ditentukan oleh nilai α1, V1, dan u1.
Gambar 2.10 Segitiga kecepatan pada Turbin Crossflow (Sumber : Mockmore, 1949)
Jika u1 = ½ V1 cos α1 ...2.3
maka tan β2 = 2 tan α1...2.4
jika α1 = 16o, maka β1 = 29o, 30o atau 50o atau nilai pendekatan. (Mockmore,
1949, hal 10).
Β2’
adalah sudut sudu keluar sisi atas pada keliling dalam runner. Dengan
asumsi v1 = v2 dan α1 = α2, untuk membuat aliran pancaran air radial maka besarnya
17
Gambar 2.11 Gabungan Segitiga Kecepatan Pada Turbin Aliran Silang (Sumber : Mockmore, 1949)
2.5.2 Perhitungan Dimensi Turbin
Dengan :
c. Perbandingan panjang dan diameter turbin
19
Gambar 2.12 Kelengkungan sudu (Sumber : Mockmore, 1949)
f. Jarak antar sudu (t)
Jarak antar sudu meliputi jarak antar sudu pancaran air masuk (s1), jarak sudu
pancaran air keluar (s2) dan jarak antar sudu (t) (gambar 2.10)
1
s (Mockmore, 1949, hal 11) ...2.11
1
Gambar 2.13 Jarak antar sudu (Sumber : Mockmore, 1949)
g. Jumlah sudu (n)
t D
n=π⋅ 1 (Mockmore, 1949, hal 17) ...2.13
h. Jarak pancaran dari poros (y1) (gambar 2.11)
(
)
2 945
, 0 1986 , 0
1 1
d D
k
21
i. Jarak pancaran dari keliling dalam (y2 ) (gambar 2.11)
(
)
12 0,1314 0,945 k D
y = − ⋅ ⋅ (Mockmore, 1949, hal 14) ...2.15
Gambar 2.14 Alur pancaran air (Sumber : Mockmore, 1949)
j. Efisiensi turbin
Jika 1 1 cos 1
2
1 α
⋅ ⋅
= V
u
maka tan β1 = 2 tan α1
⎟⎟
Meliputi penampang nosel (A) dan tinggi pancaran air nosel (so)
1
Parameter-parameter yang digunakan dalam perhitungan poros sebagai berikut :
23
Kt = Faktor Kt dipilih 1,0 jika beban dikenakan secara halus; 1,0-1,5
jika dikenakan sedikit beban kejutan atau tumbukan; dan 1,5-3,0
n. Perhitungan Daya Keluaran (Pout)
Pout = V x I ...2.24
Dimana :
V = Tegangan (volt)
I = Arus (ampere)
o. Perhitungan Torsi Guna Turbin (T)
n
2.5.3 Perhitungan Generator
1. Kecepatan sinkron (Ns)
25
3. Putaran turbin (NT)
4 Ng
NT =
26
3.1 DIAGRAM ALIR PENELITIAN
START
STUDI PUSTAKA
PERANCANGAN TURBIN ALIRAN SILANG
PEMBUATAN TURBIN ALIRAN SILANG
PENELITIAN TURBIN ALIRAN SILANG
PENGAMBILAN DATA
PENGOLAHAN DATA
27
3.2 BAHAN DAN PERALATAN PENELITIAN
3.2.1 Bahan Penelitian
Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah:
a. Pipa hitam diameter 2 inch , panjang 1m.
b. Plat dengan tebal 1 mm, panjang 1 m, dan lebar 1 m.
c. Besi siku yang berlubang 15 batang x 3 m.
d. Besi poros diameter 30 mm x 300 mm.
3.2.2 Alat Penelitian
Peralatan yang digunakan dalam penelitian adalah:
a. Microhydro Test Bed
b. Alat ukur (roll meter, jangka sorong, tachometer, multimeter)
c. Kunci ring dan kunci pas
3.3 LANGKAH-LANGKAH PENELITIAN ALAT
3.3.1 Persiapan Alat
1. Peralatan yang digunakan
a. Runner turbin crossflow yang sudunya dibuat dari pipa besi yang dibelah.
Diameter pipa untuk sudu adalah 2 inch. Diameter runner adalah 156 mm
dengan lebar runner adalah 196 mm. Runner mempunyai busur sudu
b. Tiga buah nozzle berbentuk persegi panjang dengan ukuran penampang
196 x 14 mm2, 196 x 10 mm2, dan 196 x 7 mm2.
c. Pompa air berkapasitas 10 L/s (2 unit) beserta katup Bypas untuk suplai
kebutuhan air.
d. Motor induksi sebagai generator untuk membangkitkan listrik beserta
lampu sebagai beban.
Spesifikasi generator :
Daya (P) : 0,5 HP (372,5 Watt)
Putaran (N) : 1390 Rpm
Frekuensi (f) : 50 HZ
Tegangan (V) : 220 V dan 380 V
Arus (I) : 1,9 A dan 1,1 A
e. Transmisi sabuk dan pulley dengan angka transmisi 1 : 4.
f. Kapasitor 12 µF dan 25 µF.
g. Bak penampung air 2 buah beserta konstruksi pendukung.
h. Pipa PVC berdiameter 2 inch sebagai penstock dan saluran air.
i. Multimeter 2 unit.
29
Gambar 3.1 Skema alat penelitian
Gambar 3.2 Rangkaian listrik Kapasitor
Voltmeter Amperemeter
Stop kontak Lampu
Transmisi sabuk Turbin
Nozle Penstock
Saluran air
Katup Bypass
Pompa
Generator
Bak air bawah Bak air atas
2. Cara Kerja Alat
Gambar 3.3 Urutan kerja alat uji
Turbin aliran silang akan bekerja jika ada aliran air yang memiliki ketinggian
head seperti aliran sungai atau air terjun. Pada penelitian ini, aliran sungai akan
diganti dengan pompa listrik yang berkapasitas 10 l/s (2 unit) dan head 22 m.
Turbin aliran silang yang digunakan dalam penelitian ini menggunakan sistem
aliran tertutup. Air yang melewati turbin akan digunakan kembali dalam proses
selanjutnya. Pompa akan megalirkan air yang ditampung bak penampungan air
bawah dengan kapasitas 20 L/s. Air dari bak penampung air bawah akan dipompa
menuju ke bak penampungan air atas. Air dari bak penampungan air atas akan
dialirkan ke nozzle melalui pipa PVC dan selang yang berdiameter 2 inch (penstock).
Untuk menvariasikan debitnya, tiga buah nosel yang berukuran 196 x 14 mm2, 196 x
10 mm2, dan 196 x 7 mm2 dipasang secara bergantian. Pompa
Turbin Generator
Konsumen Bak
Penampungan Air Atas
Bak Penampungan
Air Bawah
31
Air yang masuk ke nozzle akan menyembur mengenai sudu-sudu turbin
sehingga memutar runner dan akan kembali dalam bak penampungan air bawah.
Runner yang berputar akan menggerakan pulley turbin dan selanjutnya akan
menggerakkan pulley generator dan memutar generator. Generator yang berputar
akan menyebabkan terjadinya perbedaan medan magnet sehingga menghasilkan
listrik. Arus listrik akan disalurkan ke lampu yang berfungsi sebagai beban dan lampu
akan menyala jika tegangan yang dihasilkan generator mencukupi.
3.3.2 Variabel yang Diukur
1. Debit air
2. Putaran turbin.
3. Tegangan yang dihasilkan generator.
4. Arus yang dihasilkan generator.
3.3.3 Variabel yang Divariasi
1. Debit air : 8,1 L/s, 7,6 L/s, dan 6,8 L/s.
2. Beban generator : 10 watt, 20 watt, 30 watt, 40 watt, 50 watt, sampai
3.3.4 Pengambilan Data
Langkah-langkah pengambilan data yang harus dilakukan :
1. Atur pemasangan kabel-kabel yang menghubungkan kapasitor, generator,
beban, dan multimeter dan siapkan rangkaian lampu 10, 20, 30, 40, 50, 60
sampai 250 watt untuk beban generator.
2. Pasang runner busur sudu 74o dan jumlah sudu 18 buah pada rumah
turbin.
3. Pasang nozzle dengan ukuran penampang 196 x 14 mm2.
4. Arahkan nozzle pada pada sudut 16o.
5. Hidupkan pompa air dan atur katup bypass agar muka air di bak atas
stabil.
6. Ukur debit air.
7. Ukur putaran turbin tanpa beban.
8. Pasang beban 10 watt.
9. Ukur dan catat putaran turbin.
10.Ukur dan catat tegangan dan arus listrik yang dihasilkan generator.
11.Ulangi langkah 9 sampai dengan 10 untuk beban 20, 30, 40, 50, 60,
sampai 250 watt.
12.Matikan pompa air.
13.Ulangi langkah 3 sampai dengan 12 untuk nozzle ukuran 196 x 10 mm2,
33
3.3.5 Pengolahan dan Analisis Data
Setelah pengambilan data dilakukan, maka dilakukan pengolahan data sebagai
berikut :
1. Hitung potensi daya air untuk tiap variasi debit.
2. Hitung daya yang dihasilkan generator untuk tiap variasi beban generator
dan debit.
3. Hitung efisiensi total untuk tiap variasi beban generator dan debit.
4. Analisis dilakukan dengan membuat grafik hubungan putaran turbin
dengan daya dan grafik hubungan putaran turbin dengan efisiensi total
untuk tiap variasi beban dan debit.
3.4 PEMBUATAN ALAT
3.4.1. Desain Alat
Pada tahapan ini, gambar kerja dibuat. Sebelum membuat gambar kerja,
terlebih dahulu dibuat sketsa alat dan menentukan ukuran alat yang akan dibuat.
Penelitian akan dilaksanakan dengan membuat runner, nozzle, dan base
frame. Sedangkan komponen-komponen pendukung lainnya seperti bearing, rumah
bearing, puli, dan motor listrik induksi dibeli dari toko.
Penelitian ini tidak dilakukan di lapangan, melainkan disimulasikan dengan
kelompok studi Rekayasa Tenaga Air. Untuk menggantikan laju aliran sungai
digunakan pompa berkapasitas 10 liter/detik (2 unit) dan head 21 m.
Pompa mengalirkan air yang ditampung pada sebuah bak penampung air
bawah kapasitas 240 liter ke bak atas yang diletakkan pada tower air setinggi 3,5 m.
Kemudian air tersebut dialirkan menuju ke nozzle melalui pipa penstock berdiameter
2 inch. Air yang masuk ke nosel akan digunakan untuk memutar runner di dalam
rumah runner, kemudian masuk kembali ke dalam bak penampung air bawah untuk
disirkulasikan. Poros runner dihubungkan ke poros generator menggunakan transmisi
sabuk dan puli.
Generator berfungsi mengubah energi mekanis menjadi tenaga listrik arus
bolak-balik. Besarnya arus yang dihasilkan oleh generator tergantung pada besarnya
putaran generator dan kekuatan medan magnet. Listrik yang dihasilkan oleh generator
kemudian diukur saat pengambilan data.
3.4.2 Rancangan Turbin Aliran Silang
Dalam merancang sebuah Turbin Aliran Silang diperlukan parameter yang
diketahui sebagai dasar perancangan untuk perhitungan parameter-parameter lain.
Dalam perancangan ini terdapat parameter yang diketahui yaitu :
Head (H) = 3 meter
= 9,84 ft
35
= 0,7063 cfs
Diameter pipa untuk sudu (d1) = 2 inch
Koefisien nosel (C) = 0,98
Faktor koreksi (k) = 0,087
Sudut masuk (α1) = 16º
Sudut keluar (β2') = 90°
Percepatan gravitasi = 32,18 ft/s2
Perhitungan :
Perancangan Turbin Aliran Silang dengan sudu jalan yang terbuat dari pipa
berdiameter 2 in (0,167 ft).
a. Kecepatan pancaran nosel (V)
V C. 2. g. H
V 0,98 2 32,18 9,84
V 24,66 ft/s = 7,51 m/s
b. Radius sudu (ρ)
ρ 0,5 d
ρ 0,5 2
37
f. Kecepatan putar runner (N)
N 862 HD /
N 862 9,846,13 /
N 441 Rpm
d. Lebar nozzle (so)
A QV
A 0,706324,66
A 0,028 ft = 2601 mm2
L A so =
s 0,028 1447,716
s 0,52 inch = 13 mm
h. Jarak antar sudu pada runner (s1, t)
1
1 k D
s = ×
s 0,087 6,13
t sin sβ
2 tan
2 tan 16
29,81°
0,53 sin 29,81°
t 1,06 inch = 27 mm
i. Jumlah sudu (n)
n π tD
n π 6,131,06
n 18 buah
j. Lebar sudu (a)
a 0,17 D
a 0,17 6,13
39
k. Diameter dalam runner (D2)
a D
D2 = 1−2⋅
D 6,13 2.1,04
D 4,05 inch = 103 mm
l. Jarak pancaran air dari pusat poros (y1)
y1 = (0,1986 – 0,945 x k) x D1
= (0,1986 – 0,945 x 0,087) x 6,13
= 0,713 inch = 18 mm
m. Daya yang tersedia (Pin)
. . .
1000.9,81.0,0081.3,5
0,278
n. Daya turbin maksimum (Pturbin, Pd)
P P η
P 0,278 0,87
41
Berdasarkan kekakuan puntiran, maka diameter poros (ds) dipilih 25 mm
p. Perhitungan Putaran Kerja Generator dan Turbin
Diketahui : N = 1390 Rpm
f = 50 HZ
p = 4
• Kecepatan sinkron (Ns)
• Slip (s)
• Putaran kerja generator (Ng)
1500
q. Perhitungan rasio transmisi
402 1609
43
r. Geometri Turbin Aliran Silang dalam Pembuatan
Diameter pipa untuk sudu (D1) = 2 inch = 50,8 mm
Jari-jari kelengkungan sudu = 1 inch = 25,4 mm
Diameter luar turbin (D1) = 6,13 inch = 156 mm
Panjang turbin (L) = 7,716 inch = 196 mm
Radial rim width (a) = 1,04 inch = 26 mm
Diameter dalam (D2) = 4,05 inch = 103 mm
Jarak sudu pada piringan (t) = 1,06 inch = 27 mm
Diameter poros minimal = 0,95 inch = 25 mm
Jumlah sudu (n) = 18 buah
Sudut busur sudu (δ) = 740
Sudut masuk pancaran air (α) = 160
3.4.3 Pembuatan Tower air
Tower air dalam penelitian berfungsi sebagai tempat untuk bak penampungan
air atas sehingga menghasilkan head sebesar 3,5 m. Pembuatan Tower air meliputi :
1. Mengukur dimensi bak penampungan air atas.
2. Membuat sketsa tower air.
3. Menggambar tower air dengan program solidwork.
5. Pemotongan bahan sesuai dengan gambar.
6. Perakitan.
3.4.4 Pembuatan Turbin
A. Pembuatan Rumah Turbin
Rumah turbin dibuat setelah pembuatan turbin aliran silang selesai. Hal ini
dilakukan supaya lebih mudah mencari posisi turbin aliran silang dan motor listrik.
Rumah turbin digunakan untuk menempatkan generator, pulley, dan unit turbin aliran
silang. Proses pembuatan rumah turbin aliran silang meliputi :
1. Mengukur dimensi motor listrik dan turbin aliran silang.
2. Membuat sketsa rumah turbin dan menggambarnya dengan program
solidwork.
3. Membeli bahan yang diperlukan, besi L dan plat besi.
4. Memotong bahan sesuai dengan ukuran yang dibutuhkan.
5. Membuat lubang untuk baut dengan mesin bor.
6. Semua potongan dilas dan dibentuk sesuai dengan sketsa.
45
B. Pembuatan Roda Jalan (runner)
Bagian penting dari turbin aliran silang yaitu roda jalan atau runner. Proses
pembuatan roda jalan memerlukan tahapan-tahapan tertentu dan berbeda-beda.
Tahapan yang dilakukan penulis dalam membuat runner yaitu :
1. Pembuatan Sudu
Sudu turbin dibuat dari pipa yang dibelah. Pipa yang digunakan berdiameter 2
inch, panjang pipa untuk sudu 196 mm, dan tebal 2 mm. Pipa yang akan dibelah
diberi mal dan digaris. Tujuannya untuk memudahkan dalam pembelahan. Pipa
dibelah dengan menggunakan mesin sekrap. Pipa dibelah menjadi 4 bagian dengan
besar busur sudu 740. Jumlah sudu yang digunakan dalam pembuatan turbin 18 buah.
2. Pembuatan Piringan
Piringan runner dibuat dari plat besi dengan diameter 160 mm dan tebal 15
mm dan berjumlah 2 buah. Piringan digunakan sebagai tempat menempelnya
sudu-sudu dan poros turbin. Piringan dibuat alur sebagai tempat menempelnya sudu-sudu-sudu-sudu
turbin. Untuk mendapatkan alur sudu-sudu turbin yang presisi, dianjurkan memakai
3. Pembuatan Poros
Poros dibuat dari besi pejal dengan panjang 300 mm dan diameter 30 mm.
Pembuatan poros menggunakan mesin bubut. Poros dibentuk sesuai rancangan yang
telah ditetapkan. Bagian tengah poros yang digunakan dalam penelitian kali ini dibuat
kecil dengan diameter 11 mm. Hal ini bertujuan untuk menghindari terjadinya
pancaran air terhambat oleh poros sehingga aliran tidak silang.
4. Pembuatan Alur Sudu Pada Piringan
Alur sudu pada piringan digunakan untuk memudahkan pemasangan sudu
pada kedua piringan pada saat pengelasan. Selain itu, pemasangan sudu dengan
menggunakan alur bertujuan agar sudu yang dipasang pada kedua piringan dapat
presisi. Alur sudu dibuat dengan menggunakan mesin CNC supaya lebih presisi.
5. Perakitan Roda Jalan (runner)
Komponen runner yang sudah dibuat kemudian dilas. Pertama poros dan
piringan dilas dengan menggunakan las listrik. Piringan dipasang berhadapan dengan
jarak 186 mm. Pengelasan harus dilakukan dengan benar dan teliti agar hasilnya
simetris dan tidak oleng. Kemudian piringan yang sudah diberi alur dipasangi sudu
satu persatu dengan cara di las dengan kuningan. Runner yang sudah jadi, dilakukan
finishing dengan mesin bubut. Tujuannya agar permukaan turbin rata dengan
47
C. Perakitan Turbin Aliran Silang
Tahap terakhir sebelum pengujian alat dilakukan yaitu perakitan turbin.
Perakitan dilakukan sesuai dengan rancangan yang sudah ditetapkan. Pemasangan
turbin yang tepat dapat menghindari :
1. Ketidaklurusan bahkan pergeseran antara poros turbin dan poros pulley turbin
dan juga antara poros generator dengan poros pulley generator.
2. Rugi-rugi yang besar (misalnya : rugi-rugi yang disebabkan gesekan).
D. Langkah-langkah pemasangan turbin aliran silang :
1. Pemasangan unit turbin dan unit pulley turbin
Rumah turbin dipasang pada kerangka dan dudukan yang telah ditetapkan.
Rumah turbin dipasang tepat diatas bak penampungan air. Kemudian runner turbin,
bearing dan rumah bearing dipasang. Setelah itu, pulley turbin dipasang. Pemasangan
pulley harus lurus dengan poros turbin agar putaran turbin dapat maksimal.
2. Pemasangan unit motor listrik (generator) dan unit pulley
Pemasangan pertama yang dilakukan yaitu pemasangan pulley motor listrik
(generator). Pulley generator harus dipasang simetris dengan pulley turbin dan pulley
generator diatur agar sabuk tidak kendur. Tujuannya agar pada saat pulley berputar
sabuk tidak lepas. Motor listrik (generator) selanjutnya dipasang. Saat pemasangan
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
4.1. DATA PENELITIAN
Data yang dihasilkan oleh alat uji turbin aliran silang dengan variasi debit
adalah sebagai berikut :
Tabel 4.1 Data penelitian dengan tinggi nosel 14 mm dan debit 8,1 L/s.
No. Beban (Watt) Putaran (rpm) Teagangan (Volt) Arus (Ampere)
1. 10 180 81 0,035
Tabel 4.2 Data penelitian dengan tinggi nosel 10 mm dan debit 7,6 L/s.
No. Beban (Watt) Putaran (rpm) Teagangan (Volt) Arus (Ampere)
49
Tabel 4.3 Data penelitian dengan tinggi nosel 7 mm dan debit 6,8 L/s.
No. Beban (Watt) Putaran (rpm) Teagangan (Volt) Arus (Ampere)
4.2 HASIL PENELITIAN
Berdasarkan data hasil penelitian, kemudian dilakukan perhitungan daya yang
tersedia, daya yang dihasilkan dan efisiensi total turbin. Berikut disajikan contoh
perhitungan data dengan debit 8,1 L/s, tinggi nosel 14 mm, dan beban 10 Watt.
Hasil perhitungan selengkapnya disajikan dalam tabel 4.4, 4.5, dan 4.6.
Head (H) = 3,5 m
Daya yang dihasilkan turbin (Pout)
Arus pengukuran (I) = 0,035 A
Tegangan terukur (V) = 81 Volt
51
Hasil perhitungan untuk beban yang lain dapat dilihat pada tabel berikut :
Tabel 4.4 Hasil perhitungan data dengan tinggi nosel 14 mm dan debit 8,1 L/s. Beban Putaran Daya (Pin) Daya (Pout) Efisiensi Total
No
(Watt) (Rpm) (Watt) (Watt) (%)
1. 10 180 278,114 2,835 1,019
Tabel 4.5 Hasil perhitungan data dengan tinggi nosel 10 mm dan debit 7,8 L/s. Beban Putaran Daya (Pin) Daya (Pout) Efisiensi Total
No
(Watt) (Rpm) (Watt) (Watt) (%)
53
Dari data-data hasil perhitungan diatas dapat dibuat grafik seperti dibawah
ini :
4.2.1 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Daya Output Generator
Chart Title
y
Debit 6,8 L/s dan tinggi nosel 7 mm
= -0.0015x2 + 0.6553x - 59.92
170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290
Putaran turbin (Rpm)
Gambar 4.1 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Daya Output Generator Untuk Debit 6,8 L/s dan Tinggi Nosel 7 mm
Debit 7,6 L/s dan tinggi nosel 10 mm
y = -0.0023x2 + 0.9426x - 87.903
170 180 190 200 210 220 230 240 250
Putaran turbin (Rpm)
y = -0.0219x2 + 8.4047x - 798.12
170 175 180 185 190 195 200
Putaran turbin (Rpm)
Debit 8,1 L/s dan tinggi nosel 14 mm
P = -0.0219n2 + 8.4047n -798.12
Gambar 4.3 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Daya Output Generator Untuk Debit 8,1 L/s dan Tinggi Nosel 14 mm
0
150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250
Putaran turbin (Rpm)
Debit 6,8 L/s dan tinggi nosel 7 mm Debit 7,6 L/s dan tinggi nosel 10 mm
Debit 8,1 L/s dan tinggi nosel 14 mm
Gambar 4.4 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Daya Output Generator
Berdasarkan Gambar 4.1 didapatkan daya maksimum sebesar 12,43 Watt
pada putaran 220 rpm untuk variasi debit 6,8 L/s dan tinggi nosel 7 mm. Untuk
variasi debit 7,6 L/s dan tinggi nosel 10 mm, daya maksimum yang dicapai adalah
55
untuk variasi debit 8,1 L/s dan tinggi nosel 14 mm, daya maksimum yang dicapai
adalah 7,10 Watt pada putaran 192 rpm seperti yang ditunjukan Gambar 4.3.
4.2.2 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Efisiensi Total
Debit 6,8 L/s dan tinggi nosel 7 mm
y = -0.0006x2 + 0.2807x - 25.664
170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290
Putaran turbin (Rpm)
Gambar 4.5 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Efisiensi Total Untuk Debit 6,8 L/s dan Tinggi Nosel 7 mm
y
Debit 7,6 L/s dan tinggi nosel 10 mm
= -0.0009x2 + 0.3612x - 33.686
170 180 190 200 210 220 230 240 250
Putaran turbin (Rpm)
y = -0.0079x2 + 3.022x - 286.98
170 175 180 185 190 195 200
Putaran turbin (Rpm)
Debit 8,1 L/s dan tinggi nosel 14 mm
ηtotal = - 0.0079n2 + 3.022n – 286.98
Gambar 4.7 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Efisiensi Total Untuk Debit 8,1 L/s dan Tinggi Nosel 14 mm
150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250
Putaran turbin (Rpm)
Debit 6,8 L/s dan tinggi nosel 7 mm Debit 7,6 L/s dan tinggi nosel 10 mm
Debit 8,1 L/s dan tinggi nosel 14 mm
Gambar 4.8 Grafik Hubungan Putaran Turbin dan Efisiensi Total
Berdasarkan Gambar 4.5 didapatkan efisiensi total maksimum untuk variasi
debit 6,8 L/s dan tinggi nosel 7 mm adalah sebesar 5,30 % dan dicapai pada
57
efisiensi total maksimumnya adalah sebesar 3,10 % dan dicapai pada putaran turbin
205 rpm seperti yang ditujukan Gambar 4.6. Sedangkan untuk variasi debit 8,1 L/s
dan tebal nosel 14 mm, efisiensi total maksimumnya adalah 2,55 % dan dicapai pada
putaran 192 rpm seperti yang ditujukan Gambar 4.7.
4.3 PEMBAHASAN
Berdasarkan Gambar 4.4 dan Gambar 4.8 dapat diketahui bahwa semakin
besar putaran turbin aliran silang, maka daya output generator dan efisiensi total akan
semakin besar hingga mencapai titik tertentu dimana tercapai daya output generator
dan efisiensi total maksimum kemudian akan turun kembali walaupun putaran turbin
terus naik.
Selain itu, dari Gambar 4.4 dan Gambar 4.8 terlihat daya output generator dan
efisiensi total tertinggi dicapai pada debit 6,8 L/s dan tinggi nosel 7 mm yaitu 12,43
Watt dan 5,30%. Dengan demikian, semakin kecil debit air dan tinggi nosel semakin
tinggi daya output generator dan efisiensi totalnya.
Dari data hasil penelitian dan perhitungan dapat kita lihat bahwa daya yang
dihasilkan turbin aliran silang yang dibuat oleh peneliti masih relatif kecil. Oleh
sebab itu, efesiensi total turbin aliran silang yang dibuat oleh peneliti masih relatif
kecil dibandingkan dengan efisiensi maksimal sebesar 72 % (Olgun). Rendahnya
efisiensi turbin dipengaruhi oleh berbagai faktor, antara lain :
Keterbatasan alat sehingga tidak dapat diperoleh kondisi optimal yang dapat
masih menggunakan sistem paket sehingga hasil yang didapat tidak seakurat
dibandingkan dengan menggunakan flowmeter.
Rugi-rugi pada runner yang disebabkan putaran turbin yang tidak stabil sehingga
daya yang dihasilkan generator juga tidak stabil. Hal ini disebabkan pembuatan
runner yang kurang baik terutama pemasangan sudu-sudunya kurang presisi.
Rugi-rugi pada penstock yaitu rugi-rugi gesekan antara air dengan permukan
pipa, sambungan antara pipa dengan pipa yang disebabkan adanya perbedaan
diameter dari pipa, dan pada saluran air yang berbelok. Rugi-rugi ini dapat diabaikan
karena nilainya sangat kecil.
Ada pengaruh dari generator yang disebabkan oleh faktor-faktor sebagai berikut :
Umur generator, generator baru mempunyai efisiensi yang lebih tinggi dibanding
generator lama. Kecepatan generator, motor listrik akan lebih efisien apabila
putarannya diatas kecepatan sinkron. Beban, generator akan lebih efisiensi akan
dioperasikan pada beban diatas 50 % dari beban yang dianjurkan.
Adanya perubahan penampang yang mendadak antara penstock dengan nosel
sehingga mengakibatkan nilai koefesien nosel lebih kecil dari nilai koefesien nosel
perancangan (0,98). Perbedaan nilai koefesien nosel ini mengakibatkan debit air
yang keluar dari nosel lebih kecil dari debit air yang dirancang (10 L/s, 15 L/s, dan
20 L/s).
• Nilai koefesien nosel untuk ukuran penampang nosel 196 mm × 7 mm :
Q = 6,8 L/s = 0,007 m3/s
59
• Nilai koefesien nosel untuk ukuran penampang nosel 196 mm × 10 mm :
Q = 7,6 L/s = 0,0076 m3/s
• Nilai koefesien nosel untuk ukuran penampang nosel 196 mm × 14 mm :
Q = 8,1 L/s = 0,0081 m3/s
A
Putaran generator yang dihasilkan (paling tinggi 1108 Rpm) masih jauh dari
putaran kerja generator yaitu 1609 Rpm, sehingga output dari generator tidak
61 BAB V PENUTUP
5.1 KESIMPULAN
Berdasarkan data-data hasil penelitian dan hasil analisa data yang telah dilakukan dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:
1. Turbin aliran silang dengan busur sudu 74o dan jumlah sudu 18 buah, menghasilkan daya paling tinggi sebesar 12,43 watt. Daya yang paling besar terjadi pada debit sebesar 6,8 L/s dan tinggi nosel sebesar 7 mm.
2. Turbin aliran silang dengan busur sudu 74o dan jumlah sudu 18 buah, menghasilkan efisiensi total paling tinggi 5,30 %. Efisiensi total paling tinggi terjadi pada debit sebesar 6,8 L/s dan tinggi nosel sebesar 7 mm.
5.2 SARAN
Beberapa saran yang penting untuk penelitian pada bidang sejenis dengan penelitian ini atau yang ingin mengembangkan penelitian ini:
1. Dalam membuat runner hendaknya dibuat dengan tingkat kerapian dan presisi semaksimal mungkin agar runner dapat bekerja secara maksimal (Contohnya : pemasangan sudu menggunakan zig dan membuat alur sudu menggunakan mesin CNC).
3. Untuk mengurangi rugi-rugi yang diakibatkan perubahan penampang yang mendadak antara penstock dengan nosel, dapat dipasang adapter pada sambungan antara penstock dan nosel.
63
DAFTAR PUSTAKA
Anonim, 2009, Pembangkit Listrik Masa Depan Indonesia,
http://www.konversi.wordpress.com/.../pembangkit-listrik-masa-depan-indonesia.
Anonim, 2005, Pedoman Efisiensi Energi Untuk Industri di Asia, http://www.energyefficiencyasia.org/docs/ee_modules/indo/Chapter%20-%20Electric%20motors%20(Bahasa%20Indonesia).pdf.
Dietzel, Fritz, 1996, Turbin Pompa dan Kompresor, Jakarta : Erlangga.
Mockmore, C.A., dan Merryfielld, Fred. 1949. The Banki Water Turbine, Corvallis: Oregan State College.
Olgun, H, 1998, Investigation of the performance of a cross-flow turbine, International Journal of Energy Research, Volume 22 Issue 11, Pages 935 - 964.
Olgun, H, 2000, Effect of interior guide tubes in cross-flow turbine runner on turbine performance, International Journal of Energy Research, Volume 24 Issue 11 , September 2000, Pages 935 – 964.
Suga, Kiyokatsu, dan Sularso. 2004. Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin, Jakarta : PT. Pradnya Paramita.
Kurniawan, Tirta Dwi, 2009, Turbin Aliran Silang dengan Busur Sudu 100o yang Dibuat Dari Pipa Dibelah (Tidak Diterbitkan), Yogyakarta : Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.
64
LAMPIRAN
PROSES PEMBUATAN POROS DAN RUNNER
1 Proses pembubutan poros 2 Poros runner
1 Disk runner sebelum dibubut 2 Pembubutan piringan turbin
PROSES PEMBUATAN SUDU
1 Pemotongan Pipa 2 Hasil Pemotongan Pipa
3 Template untuk pembelahan pipa 4 Pembelahan pipa dengan mesin sekrap
