PERANCANGAN TURBIN ALIRAN SILANG
UNTUK DEBIT 0,0212 m
3/detik DAN HEAD 1,5 m
No.802/TA/FT-USD/TM/Agustus/2007
TUGAS AKHIR
Diajukan untuk memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Jurusan Teknik Mesin
Disusun oleh :
YUSUF GESANG KAPIPI NIM : 015214038
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
CROSSFLOW TURBINE DESIGNING
FOR 0,0212 m
3/s CAPACITY AND 1,5 m HEAD
No.802/TA/FT-USD/TM/August/2007
FINAL PROJECT
Presented as Partial Fulfillment of the Requirements To Obtain then Sarjana Teknik Degree
in Mechanical Engineering
By :
YUSUF GESANG KAPIPI Student Number : 015214038
MECHANICAL ENGINEERING PROGRAM STUDY
MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
KATA PENGANTAR
Puji Syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan
rahmat dan karunia-Nya, sehingga panulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.
Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat yang harus ditempuh untuk
mencapai derajat Sarjana S-1 pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains
dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma. Isi Tugas Akhir merupakan studi
tentang perancangan turbin crossflow.
Dalam kesempatan ini penulis menyadari bahwa dalam proses belajar di
Program Studi Teknik Mesin, sejak awal studi sampai berakhirnya studi
melibatkan banyak hal. Atas segala saran, bimbingan, dukungan dan bantuan,
pada kesempatan ini dengan penuh kerendahan hati penulis mengucapkan terima
kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Ir.Greg. Heliarko. SJ., S.S., B.S.T., M.A., M.Sc. selaku Dekan Fakultas
Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Budi Sugiharto, S.T., M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin
Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
3. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing Tugas
Akhir.
4. I Gusti Ketut Puja, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing Akademik.
5. Seluruh dosen dan staff Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan
memberikan berbagai pengetahuan kepada penulis dan membantu
selama proses belajar di Jurusan Teknik Mesin.
6. Ayah dan Ibu yang sangat saya sayangi, beserta adik yang selalu
mendukung saya, baik dalam materi maupun motivasi.
Penulis menyadari sepenuhnya bahwa penulisan Tugas Akhir ini masih
jauh dari sempurna. Meskipun demikian penulis berharap bahwa penulisan Tugas
Akhir ini dapat memberikan kontribusi dalam pengembangan ilmu khususnya
mengenai perancangan turbin crossflow. Atas kritik dan saran yang bersifat
membangun guna sempurnanya karya tulis ini penulis mengucapkan terima kasih.
Yogyakarta, April 2008
INTISARI
Turbin aliran silang banyak digunakan untuk pembangkit listrik skala
mikro. Pembuatan sudu turbin dari pelat yang dilengkung dengan sudut tertentu
sulit dilakukan. Geometri sudu dengan pelat sebenarnya sama dengan geometri
pipa yang dibelah dengan sudut tertentu. Perancangan ini bertujuan untuk
merancang sebuah turbin aliran silang (crossflow turbine) menggunakan pelat
yang dilengkung dan pipa yang dibelah, untuk Debit 0,0212 m3/detik dan Head 1,5 m.
Bahan-bahan yang digunakan dalam perancangan runner adalah pelat baja
untuk piringan dan sudu yang dilengkung, sedangkan pembuatan sudu dari pipa
menggunakan pipa diameter 3 inch.
Turbin aliran silang dengan sudu dari pelat yang dilengkung mempunyai
diameter luar runner 0,2260 m, panjang runner 0,2032 m, dengan jumlah sudu 18
buah. Sedangkan turbin dengan sudu dari bilah pipa mempunyai diameter luar
runner 0,2336 m, panjang runner 0,1966 m, dengan jumlah sudu 18 buah.
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN
PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma :
Nama : Yusuf Gesang Kapipi
Nomor Mahasiswa : 015214038
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan
Universitas Sanata Dharma Karya ilmiah saya yang berjudul :
PERANCANGAN TURBIN ALIRAN SILANG UNTUK DEBIT 0,0212 m3/detik DAN HEAD 1,5 m
Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata
Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan, dalam bentuk media lain,
mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan
mempublikasikannya di Internet atau media lain untuk kepentingan akademis
tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalty kepada saya
selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.
Dibuat di Yogyakarta
Pada tanggal : 12 September 2008
Yang menyatakan
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL ... i
HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ... iii
HALAMAN PENGESAHAN ... iv
2.3.1 Prinsip Dasar Turbin Crossflow ... 14
2.3.2 Pemindahan Gaya ke Turbin ... 15
2.3.3 Aliran Pergerakan Air pada Turbin ... 18
2.3.4 Efisiensi Turbin ... 20
2.3.5 Konstruksi Turbin Crossflow ... 22
BAB III PERANCANGAN 3.1 Dasar Perancangan ... 27
3.2 Perancangan Turbin Crossflow dengan Sudu Jalan Terbuat dari Pelat yang Diroll ... 28
3.2.1 Perhitungan ... 28
3.2.2 Geometri Turbin ... 32
3.2.3 Gambar Teknik Turbin Crossflow ... 33
3.3 Perancangan Turbin Crossflow dengan Sudu Jalan Terbuat dari Pipa Berdiameter 3 inchi ... 34
3.3.2 Geometri Turbin ... 38 3.3.3 Gambar Teknik Turbin Crossflow ... 39 3.4 Pembahasan ... 41
BAB IV KESIMPULAN
4.1 Hasil Perancangan ... 44 4.1.1 Perancangan Turbin Crossflow dengan Sudu Jalan
Terbuat dari Pelat yang Diroll ... 44 4.1.2 Perancangan Turbin Crossflow dengan Sudu Jalan
Terbuat dari Pipa Berdiameter 3 inchi ... 45
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Klasifikasi turbin terhadap head ... 12
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Bentuk energi pada aliran air ... 5
Gambar 2.2 Turbin Crossflow ... 15
Gambar 2.3 Gaya aksi atau gaya dorong tumbukan ... 16
Gambar 2.4 Gaya aksi atau gaya dorong tumbukan sudu jalan ... 16
Gambar 2.5 Gaya aksi atau gaya dorong tumbukan penampang sudut tertentu ... 17
Gambar 2.6 Aliran pergerakan air pada turbin ... 19
Gambar 2.7 Defleksi pada pergerakan aliran air pada turbin ... 20
Gambar 2.8 Defleksi pada pergerakan aliran air pada turbin ... 21
Gambar 2.9 Gabungan diagram kecepatan pada turbin Crossflow ... 22
Gambar 2.10 diagram kecepatan pada turbin Crossflow ... 23
Gambar 2.11 Kelengkungan sudu ... 24
Gambar 2.12 Jarak antar sudu ... 25
Gambar 2.13 Alur pancaran air dari sisi turbin ... 26
Gambar 3.1 Dimensi Turbin Crossflow dengan plat yang diroll ... 33
Gambar 3.2 Kelengkungan sudu turbin Crossflow dengan pipa berdiameter 3 inchi dengan sudut pusat sudu jalan =73,48o ... 39
Gambar 3.3 Skematik Turbin Crossflow dengan pipa berdiameter 3
Gambar 3.4 Kelengkungan sudu turbin Crossflow dengan pipa
berdiameter 3 inchi dengan sudut pusat sudu jalan =90o
(memperbesar diameter luar runner) ... 42
Gambar 3.5 Kelengkungan sudu turbin Crossflow dengan pipa
berdiameter 3 inchi dengan sudut pusat sudu jalan =90o
DAFTAR LAMBANG
H = Head (m)
Q = Debit (m3/detik)
η = Efisiensi turbin (%)
D1 = Diameter turbin (m)
L = Panjang Turbin (m)
ρ = Jari-jari kelengkungan sudu turbin (m)
a = Lebar velk radial (m)
s1 = Jarak antar sudu pancaran air masuk (m)
t = Jarak antar sudu (m)
β1 = Sudut masuk (o)
s2 = Jarak antar sudu pancaran air keluar (m)
n = Jumlah sudu (buah)
y1 = Jarak pancaran dari poros (m)
y2 = Jarak pancaran dari keliling dalam (m)
A = Penampang nosel (m)
so = Tinggi pancaran air nosel (m)
N = Kecepatan Putar (rpm)
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Sumber energi yang tidak dapat diperbaharui di negara kita semakin
berkurang. Padahal sampai saat ini di Indonesia, konsumsi kebutuhan energi pada
umumnya berasal dari sumber energi tak terbarui. Dengan meningkatnya
pertambahan penduduk, industrialisasi modern, peningkatan transportasi dan
penggunaan listrik yang sangat cepat, maka akan terjadi ketimpangan antara
sektor-sektor riil pemakai energi dengan sumber energi yang tersedia.
Air merupakan salah satu sumber daya alam yang tidak terbatas
jumlahnya. Air juga memiliki potensi yang sangat besar dan dapat digunakan
untuk menciptakan sumber energi alternatif baru yang dapat menggantikan
penggunaan energi fosil yang sudah semakin menipis ketersediaannya di dalam
perut bumi karena ulah manusia yang telah mengeksploitasi habis- habisan untuk
digunakan secara individu maupun industri besar. Oleh karena itu, kini manusia
telah berusaha mengembangkan Hydropower untuk mendapatkan sumber energi
alternatif baru khususnya energi listrik. Air adalah sumber energi utama yang
digunakan untuk menggantikan fungsi energi fosil tersebut. Berbeda dari bahan
baku fosil yang diklaim berdampak buruk bagi kesehatan manusia dan
menimbulkan pencemaran lingkungan, energi air dapat mereduksi efek buruk
Air merupakan salah satu sumber energi yang dapat dikatakan bisa
mengungguli dan menggantikan keberadaan dari produk-produk yang dihasilkan
fosil (minyak bumi, batu bara, gas alam, dan lain-lain), walaupun saat ini belum
dimungkinkan dan ditemukan alat yang bisa mengubah energi air yang
berefisiensi lebih besar dari energi fosil (ηturbin > ηfosil), tetapi sejalan dengan
perkembangan zaman yang juga diikuti dengan peningkatan kebutuhan energi,
manusia sadar akan dampak tidak baik dalam penggunaan energi fosil sehingga
lebih tertarik untuk mengembangkan energi air yang tidak menimbulkan polusi .
Dewasa ini banyak sekali telah dikembangkan berbagai alat untuk
menghasilkan energi baru yang berasal dari air, sebagai contoh adalah Pembangkit
Listrik Tenaga Air (PLTA). PLTA dibangun untuk memenuhi kebutuhan listrik
yang kian meningkat. Proses dari PLTA ini sendiri menggunakan turbin dan dari
putaran turbin tersebut di teruskan untuk menggerakkan generator untuk
menghasilkan listrik.
Untuk saat ini di Indonesia pada khususnya sering sekali terjadi
pemadaman listrik yang dikarenakan tidak sebandingnya hasil listrik dan
kebutuhan listrik, padahal jika dilihat dari letak geografis dan keadaan yang terdiri
dari pulau-pulau Indonesia memiliki banyak sungai-sungai yang bisa
dimanfaatkan potensinya untuk pembangkit tenaga listrik mini yang dapat
dimanfaatkan oleh masyarakat di sekitarnya.
Dari data yang dikeluarkan oleh Departemen Energi dan Sumber Daya
Mineral Republik Indonesia tahun 2004 tentang Kebijakan Energi Nasional
Nasional Berkelanjutan, pemanfaatan energi air di Indonesia masih sangat kecil,
baru sekitar 2,5% dari potensi yang bisa mencapai 75000 MW. Di Indonesia
terdapat 1315 kawasan yang berpotensi menjadi sumber energi tenaga air, dan
daerah-daerah tersebut tersebar dari Sabang sampai Marauke. Daerah-daerah yang
diprediksi memiliki potensi tersebut, antara lain : Pulau Papua 22371 MW, pulau
Kalimantan 21611 MW, pulau Sumatra 15804 MW, pulau Sulawesi 10203 MW,
pulau Jawa 4531 MW, kepulauan Nusa Tenggara (Bali, NTB dan NTT) 674 MW
dan kepulauan Maluku 430 MW. Data-data diatas merupakan sumber pembangkit
tenaga air dengan kapasitas besar, belum termasuk sumber-sumber pembangkit
tenaga air dengan kapasitas kecil, oleh karena itu diperlukan suatu teknologi
terapan untuk mengatasi hal tersebut agar masyarakat kecil juga dapat menikmati
listrik.
1.2 Tujuan Perancangan
Perancangan yang dilakukan bertujuan untuk membuat rancangan turbin
1.3 Batasan Masalah
Dalam tugas akhir ini penulis membatasi masalah pada perancangan turbin
Crossflow untuk Head (H) = 1,5 m dan debit (Q) = 0,0212 m3/detik. Sudu turbin
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Landasan Teori
2.1.1 Aliran Zat Cair dan Bentuk Energinya
Persamaan energi dihasilkan dari penerapan prinsip kekekalan energi pada
aliran fluida. Energi yang dimiliki oleh suatu fluida yang mengalir terdiri dari
energi dalam dan energi-energi akibat tekanan, kecepatan dan kedudukan. Hukum
kekekalan energi, menyatakan bahwa energi tidak dapat dimusnahkan dan tidak
dapat diciptakan tetapi dapat diubah menjadi bentuk energi lain. Arus air yang
mengalir mengandung energi dan energi tersebut dapat diubah bentuknya,
misalnya perubahan dari energi potensial (tekanan) kedalam energi kinetik
(kecepatan), atau sebaliknya.
Arti selanjutnya dari kaidah kekekalan energi adalah apabila arus air
dalam alirannya dilewatkan melalui turbin air, maka energi yang ada dalam air
akan diubah menjadi bentuk energi yang lain.
Arti selanjutnya dari dari kaidah kekekalan energi adalah apabila arus air
dalam alirannya dilewatkan melalui turbin air, maka energi yang ada dalam air
akan diubah menjadi bentuk energi yang lain. Aliran air pada suatu standar
ketinggian tertentu mempunyai bentuk-bentuk energi sebagai berikut:
Energi tempat
=m g z
Ep (Nm) ………... 2.1
dengan:
m = massa
g = gravitasi
z = ketinggian
Energi tekanan
ρ p m
Ez = (Nm) ...………2.2
dengan:
m = massa
p = tekanan
Energi kecepatan
antara tinggi air atas dan tinggi air bawah, maka menurut Bernoulli, besar energi
aliran tersebut adalah:
diperhitungkan, hal ini dinamakan “spesifik energi” satuannya dalam Nm/kg.
Karena dibagi m akan didapat:
tan
Kemudian dibagi lagi dengan percepatan gravitasi g, akan didapat salah
satu ruas dari persamaan Bernoulli, yang mempunyai arti head:
g
2.1.2 Daya yang Dihasilkan Turbin
Dari kapasitas air .
V dan tinggi air jatuh H dapat diperoleh daya yang
dihasilkan turbin (Frizt Dietzel,1996, hal. 2):
T
Hp (Banki water turbine,1949,hal.17)………2.8
dengan :
Hp= daya yang dihasilkan turbin (Hp)
Q = kapasitas air (cfs)
Bila massa aliran .
m dan tinggi air jatuh telah diketahui, maka daya yang
dihasilkan:
Kecepataan spesifik nqdipakai sebagai tanda batasan untuk membedakan
roda turbin dan dipakai sebagai suatu besaran yang penting dalam merencanakan
(desain) turbin air. Persamaan nqdapat dituliskan sebagai berikut
(FriztDietzel,1996,hal.20):
n = kecepatan spesifik ( rpm)
n = kecepatan putar turbin (rpm)
.
V = kapasitas air (m3/detik)
H = tinggi air jatuh (m)
q
n adalah jumlah putaran roda turbin yang bekerja pada tinggi air jatuh H = 1 m
dan kapasitas air .
V = 1 m3/detik (dengan jumlah putaran yang tertentu n/menit).
air yang berbeda , serta bekerja pada putaran yang telah ditentukan n/menit dan
mempunyai harga nqyang sama, maka turbin tersebut secara bentuk adalah
mirip/serupa. Besar ukuran-ukuran pokoknya adalah berbeda, Diameter roda
turbin berbeda dan lebar rodanya pun berbeda, tetapi bentuk sudu, sudut sudu
pengarah dan sudut-sudut sudu jalan, perbandingan diameter roda/lebarnya adalah
sama.
2.2 Turbin Air
2.2.1 Definisi Turbin Air
Turbin air adalah salah suatu mesin berputar yang mengkonversi energi
dari suatu gerakan aliran air menjadi energi mekanis. Energi mekanis ini
kemudian ditransfer melalui suatu poros untuk mengoperasikan mesin atau
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 dibawah tekanan tinggi didalam dam dilepaskan kedalam
suatu saluran dimana akan menggerakan 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 menentukan tinggi air jatuh dan
kapasitas air. Selain itu pemilihan turbin juga tergantung dari kecepatan putar
2.2.2 Perkembangan Turbin Air
Bentuk yang paling tua dan sederhana dari turbin air adalah kincir air,
yang pertama kali digunakan oleh bangsa yunani pada abad pertengahan.
Perpindahan dari bentuk kincir air ke bentuk turbin air modern memakan waktu
sekitar 100 tahun. Pada awal abad ke 19 seorang insinyur Prancis yang bernama
Claude Bourdin menemukan kata turbin yang diambil dari bahasa latin yang
berarti memutar atau pusaran air. Perkembangan turbin air mulai terlihat pada
pertengahan abad 18 :
1. Pada pertengahan abad 17 Jan Andrej Segner mengembangkan suatu
turbin air reaktif, yang merupakan mesin yang sangat sederhana yang
hingga saat ini masih dapat dijumpai di lokasi hidro yang kecil.
2. Pada tahun 1826 Benoit Fourneyron mengembangkan sebuah turbin
air berefisiensi 80%. Air diarahkan menyimpang melalui turbin
runner sehingga turbin runner berputar (turbin aliran keluar).
3. Pada tahun sebelumnya sekitar tahun 1820, Jean- Victor Poncelete
mendisain turbin air aliran dalam, dengan menggunakan prinsip yang
sama dia mendapat U.S.paten di tahun 1838.
4. Pada tahun 1848 James B. Francis mengembangkan disain turbin air
aliran dalam untuk mendapatkan efisiensi yang lebih tinggi (90%).
2.2.3 Jenis-jenis Turbin Air
Terdapat berbagai jenis turbin air yang digunakan untuk penyediaan
kebutuhan energi listrik. Turbin air biasanya dikelompokan 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 air menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini
turbin air dibagi menjadi :
Tabel 2.1 Klasifikasi turbin terhadap head
Head tinggi Head sedang Head rendah
Turbin impuls Turbin pelton
Turbin turgo
Turbin reaksi Turbin Francis Turbin Kaplan
2.2.3.1Turbin impuls
Turbin impuls disebut juga turbin tekanan sama atau turbin pancaran bebas
karena aliran air masuk sudu turbin dan yang keluar tekanannya adalah sama.
Yang dimaksud turbin implus adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan
menjadi energi kecepatan dari pancaran.air. Pancaran air akan membentur roda
jalan turbin yang kemudian membalikkan arus air, sehingga menghasilkan
perubahan pada daya dorongan yang disebabkan oleh roda jalan turbin. Pada roda
jalan turbin tidak terjadi perubahan tekanan. Sebelum pancaran air membentur
roda jalan turbin, tekanan air (energi potensial) dikonversi ke tenaga gerak (energi
kinetic) oleh nossel dan dipusatkan pada roda jalan turbin. Jumlah nosel
tergantung pada besarnya kapasitas air, tiap roda turbin bisa dilengkapi dengan 1
sampai 6 nosel. Bentuk sudu turbin ini terdiri dari 2 bagian yang simetris,
maksudnya agar bisa membalikan pancaran air dengan baik dan membebaskan
sudu dari gaya-gaya samping. Turbin impuls sering digunakan pada aplikasi
turbin yang membutuhkan head yang sangat tinggi. Yang termasuk turbin impuls
antara lain:
a. Turbin Pelton
Turbin ini terdiri dari roda jalan yang diputar oleh pancaran air yang keluar
dari nosel. Roda jalan turbin Pelton menyerupai roda jalan pada kincir air.
b. Turbin Crossflow
Turbin ini juga disebut Michell-Banki turbin. Cara kerja turbin ini adalah
seperti turbin Pelton, yaitu hanya sebagian sudu-sudu saja yang bekerja
membalikan aliran air. Turbin ini mempunyai alat pengarah sehingga dengan
demikian celah bebas dengan sudu-sudu di sekeliling roda hanya sedikit.
Karena itu pada keadaan pembebanan penuh putarannya roda terjadi sedikit
c. Turbin Turgo
Turbin ini sama persis dengan turbin Pelton, yang membedakan hanya
kecepatan spesifik yang lebih tinggi.
2.2.3.2 Turbin reaksi
Turbin ini juga disebut turbin tekanan lebih. Yang dimaksud dengan turbin reaksi
adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah energi tekanan. Pada
turbin reaksi tekanan air akan mengalami penurunan setelah melewati sudu turbin.
Turbin air reaksi dibagi menjadi dua jenis yaitu:
a. Francis
Turbin Francis dikembangkan oleh James B. Francis pada tahun 1848, yang
juga disebut turbin aliran dalam.
b. Propeller
Jenis ini saat pertama kali dikembangkan dirancang dan dibuat dengan sudu
yang tidak dapat diatur atau fixed blade, tetapi karena sudu tidak dapat diatur,
maka efesiensinya berkurang jika digunakan pada kisaran debit yang lebar.
Oleh karena itu maka dikembangkanlah jenis baru dengan sudu yang dapat
diatur atau adjustable blade, contoh dari turbin ini antara lain: Kaplan,
Nagler, Bulb, Moody.
2.3 Turbin Crossflow
2.3.1 Prinsip Dasar Turbin Crossflow
Turbin Crossflow, seperti diperlihatkan dalam Gambar. 2.2. Turbin
penemunya, juga disebut Turbin Osberger yang merupakan perusahaan yang
memproduksi turbin crossflow. Turbin Crossflow Termasuk turbin impulse (tidak
ada perbedaan tekanan air masuk sudu dan meninggalkan sudu, bekerja berdasar
prinsip impulse-momentum). Berdasarkan karakteristik, turbin Banki berada di
antara Pelton tangential water turbine dan Francis mixed-flow wheel. Turbin
crossflow terdiri dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan
paralel dan nozzle. Pancaran air dari nosel masuk turbin dan mengenai sudu
sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Pancaran air
masuk turbin melalui bagian atas, memberikan energi ke sudu kemudian masuk ke
bagian dalam turbin dan keluar melalui bagian bawah turbin. Turbin mengambil
energi air dua kali yaitu melalui sudu atas dan sudu bawah. Pada bagian atas
turbin mengambil energi sebesar 72 % dan pada bagian bawah turbin mengambil
energi sebesar 28 %.
Gambar 2.2 Turbin Crossflow
(Sumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf )
2.3.2 Pemindahan Gaya ke Turbin
a. Suatu plat yang tegak lurus terhadap pancaran air.
Pancaran air dengan kecepatan (v) yang memancar tegak lurus plat, akan
mencoba mendorong plat. Besarnya gaya F =
m . v. Pancaran akan berbelok 90o
menyebar kesamping pada bidang plat. Maka akan terjadi perubahan vektor
kecepatan yang berarti perubahan momentum.
Gambar 2.3 Gaya aksi atau gaya dorong tumbukan.(Joe Cole, 2004 , hal. 2)
b. Suatu Penampang konstruksi sudu jalan terhadap pancaran air.
Pancaran air dengan kecepatan (v) yang memancar mengenai sudu jalan
dengan konstruksi berbelok, akan menimbulkan suatu aksi atau gaya dorong (F)
yang besarnya merupakan nilai dari kelipatannya.
Gambar 2.4 Gaya aksi atau gaya dorong tumbukan sudu jalan (Joe Cole, 2004, hal. 2)
Gaya dorong yang dihasilkan (Joe cole, 2004, hal 2)
F =(
m . v ) + (
-
m . -v ).
F = 2 .
m . v ... 2.11
Dengan :
m = massa(kg/s)
v = kecepatan (m/s)
c. Suatu Penampang yang dengan sudut tertentu terhadap pancaran air.
Jika pancaran air membentur satu sudu lengkung maka air akan
dibelokkan sesuai sudut. Gaya (F) diuraikan berdasarkan
komponen-komponennya yaitu sumbu x & y.
Gaya yang dihasilkan dapat dihitung dengan (Joe cole, 2004, hal 2)
Fx =
m . (v – v cos ° α) ... 2.12
Fy =
m .v . sin α ... 2.13
Gambar 2.5 Gaya aksi atau gaya dorong tumbukan penampang sudut tertentu
Dalam bagian ini terdapat dua kecepatan yang sama tetapi dipisahkan oleh
sudut α dan segitiga yang tertutup oleh garis
∆
v sebagai hasil dari hukum cosinus.
2.3.3 Aliran Pergerakan Air pada Turbin
Pada gambar 2.5 diasumsikan bahwa pancaran air dari nosel masuk kedalam
runner pada titik A dengan sudut yang bersinggungan dengan keliling runner.
Kecepatan air sebelum memasuki runner dapat dihitung dengan persamaan (Banki,
2004, hal 6)
V1=C (2gH)½ ... 2.17
dengan :
V1 = kecepatan absolut.
H = Head ketinggian
C = Koefisien berdasarkan nosel
komponen – komponen kecepatan yang terdapat dalam turbin:
V = Kecepatan mutlak, karena daerah sekelilingnya adalah tetap diam tidak
bergerak.
v = Kecepatan relatif, karena berhubungan dengan bagian yang bergerak yaitu
sudu jalan turbin.
α adalah sudut antara kecepatan absolut dengan kecepatan sudu turbin dan
β adalah sudut yang dibentuk antara garis yang menyinggung keliling lingkaran
runner dengan kecepatan relatif . Dengan indek 1 menandakan kecepatan masuk
dan indek 2 menandakan kecepatan keluar sudu jalan turbin.
Gambar 2.6 Aliran pergerakan air pada turbin
(Mockmore, 2004, hal. 6)
Alur aliran pergerakan aliran air pada kenyataannya tidak seperti yang terdapat
dalam gambar 2.5, akan tetapi terdapat defleksi sebesar θ seperti dalam gambar
Gambar 2.7 Defleksi pada pergerakan aliran air pada turbin
(Mockmore, 2004, hal. 8)
2.3.4 Efisiensi Turbin
Efisiensi (ε) merupakan rasio perbandingan daya output dan daya input.
Berdasarkan gambar 2.6 dapat diturunkan persamaan daya pengereman
Daya pengereman (Mockmore, 2004, hal 7)
HP = (w.Q/g) (V1 cos α1 + V2 cos α2) u1 ... 2.18
= V2 cos α2 = v2 cos β2 - u1 ... 2.19
Mengabaikan kecepatan air dalam ketinggian h2 (gambar 2.5) yang memasuki
bagian bawah
v2 = ψv1 ... 2.20 ψ = koefisien empiris yang nilainya sekitar (0,98)
Dari diagram kecepatan pada gambar 2.7 didapatkan:
Subtitusi persamaan 2.19, 2.20 dan 2.21 didapatkan persamaan:
Hp output =(WQu1/g).(V1cos α1- u1).(1 + ψ cos β2 cos β1) ... 2.22
Secara teoritis daya input adalah (Mockmore, 2004, hal 8):
HP = WQH/g = WQV12 / C2 2g ... 2.23
Gambar 2.8 Defleksi pada pergerakan aliran air pada turbin
(Mockmore, 2004, hal. 8)
Efisiensi
ε = (2C2u1/V1)(1 + ψ cos β2 / cosβ1).(cos α1- u1/V1) ... 2.24
Dengan = β1 maka :
ε = (2C2 u1 / V1) (1 + ψ) (cos α1 - u1 / V1)
u1/V1 = 2 cos1
ε max = 0,5 C2 (1 + ψ ) cos2 α1 ... 2.25
Dimana efisiensi di atas benar apabila nilai ψ dan C merupakan satu
kesatuan dimana tidak ada head loses dan tidak ada gesekan pada nosel dan sudu.
Nilai efisiensi maksimum tercapai pada sudut masuk α1 16o yaitu 87.8 persen
2.3.5 Konstruksi Turbin Crossflow
a. Sudut sudu
Sudut sudu masuk sisi atas pada keliling luar runner β1 , (gambar 2.5 dan
2.7.) dapat ditentukan oleh nilai α1,V1, dan u1
jika u1 = ½ V1cos α1
maka tan β1= 2 tan α1
apabila α1 = 16o
maka β1=29o ,50o atau 30o atau nilai pendekatan.
(Mockmore, 2004, hal 10)
Sudut sudu keluar sisi atas pada keliling dalam runner β2‟ merupakan
sudut sudu pada keliling dalam dan menyinggung keliling keliling dalam runner.
Dengan asumsi kecepatan air yang keluar dari sudu jalan sisi atas (v1) adalah sama
dengan kecepatan air masuk pada sudu jalan sisi bawah (v2), dan α1 = α2. Maka nilai β2‟ dapat ditentukan sesuai gambar 2.9. Maka untuk membuat aliran
pancaran radial maka β2‟=90o
Sudut masuk sudu sisi bawah pada keliling dalam runner β1‟=90o dengan
asumsi tidak ada head loses pada masuknya air pada sudu sisi bawah, dan nilai V1
sebagai berikut (Mockmore, 2004, hal 10):
V1‟ = [ 2gh2 + ( V2‟ )2 ]½ ... 2.26
Dengan asumsi β2‟=90o (gambar 2.10 a) maka v1„ tidak berhimpit. Untuk
menghindari terjadi rugi tumbukan, dibutuhkan β2 lebih besar dari 90o. Nilai
perbedaan V1 dan V2 kecil, hal ini dikarenakan head kecil. Untuk itu diasumsikan β2‟ tetap 90o
dan nilai β1‟ seperti gambar 2.9 adalah 90o.
Sudut keluar sudu sisi bawah pada keliliing luar runnner β2= β1.
Gambar 2.10 diagram kecepatan pada turbin Crossflow (Mockmore, 2004, hal. 11)
b. Diameter Luar runner (D1) (Mockmore, 2004, hal 14)
D1 =862H½/N ... 2.27
Dengan :
H = head ketinggian (in)
N = putaran turbin (rpm)
c. Panjang Turbin (L) (Mockmore, 2004, hal 15)
Dengan :
Q = Debit aliran air (cfs)
C= Koefisien nosel = 0.98
k = Faktor koreksi = 0.087
d. Perbandingan panjang dan diameter turbin (Mockmore, 2004, hal 17)
LD1 = 210.6Q/H½ ... 2.29
e. Jari-jari kelengkungan sudu (ρ) (Mockmore, 2004, hal 15)
ρ = 0.3261 r1 ... 2.30
dengan :
r1 = jari-jari luar runner (in)
f. Lebar velk radial (a )
Nilai lebar velk radial dapat ditentukan dari persamaan 2.30dengan
mengabaikan tebal sudu (Mockmore, 2004, hal 12) .
a = 0,17D1 ... 2.31
g. Jarak antar sudu
Meliputi Jarak antar sudu pancaran air masuk (s1), Jarak sudu pancaran air
keluar (s2) dan jarak antar sudu (gambar 2.11)
Jarak pancaran air masuk
s1 = kD1 (Mockmore, 2004, hal 14) ... 2.32
Jarak pancaran air keluar
s2 = t(r2/r1) (Mockmore, 2004, hal 11) ... 2.33
Jarak antar sudu
t =s1/sin β1 (Mockmore, 2004, hal 10) ... 2.34
Gambar 2.12 Jarak antar sudu (Banki, 2004, hal. 9)
h. Jumlah sudu (n) (Mockmore, 2004, hal 17)
n = л D1/t ... 2.35
y1 = (0.1986-0.945k) D1 ... 2.36
j. Jarak pancaran dari keliling dalam (y2 ) (gambar 2.12) (Mockmore, 2004, hal 14)
y2 = (0.1314-0.945k) D1... 2.40
Gambar 2.13 Alur pancaran air dari sisi turbin (Mockmore, 2004, hal. 13)
k. Nosel
Meliputi penampang nosel (A) dan tinggi pancaran air nosel (so)
Penampang nosel (Mockmore, 2004, hal 17)
A = Q/V1 ... 2.50
Tinggi nosel (Mockmore, 2004, hal 17)
So = A / L ... 2.51
l. Sudut pusat sudu jalan (gambar 2.11)
BAB III
PERANCANGAN
3.1 Dasar Perancangan
Dalam merancang sebuah turbin Crossflow dibutuhkan parameter yang
harus dipenuhi agar hasil perancangan dapat seoptimal mungkin sesuai dengan
yang dibutuhkan. Khususnya dalam perancangan ini didapatkan parameter yang
diketahui sebagai dasar perancangan yaitu:
Tinggi tekan/head (H) = 1,5 meter
= 4,9215 ft
Kapasitas aliran (Q) = 336,75 US gpm
= 0,750285 cfs
Asumsi :
Koefisien nosel (C) = 0.98
Faktor koreksi (k) = 0.087
Dalam perancangan turbin Crossflow dengan parameter diatas dilakukan dengan
dengan dua cara yaitu Perancangan turbin Crossflow dengan sudu jalan terbuat
dari pelat yang diroll dan Perancangan turbin Crossflow dengan sudu jalan terbuat
3.2 Perancangan Turbin Crossflow dengan Sudu Jalan Terbuat dari Pelat
yang Diroll
3.2.1 Perhitungan
a. Perbandingan panjang dan diameter turbin
LD1 = 210,6Q/H½
LD1 = 210,60,750285/4,9215½
LD1 = 71,2255
b. Menentukan panjang dan diameter turbin.
Tabel 3.1 Perbandingan panjang dan diameter turbin
L D1
Dari tabel 3.1 dipilih nilai perbandingan panjang dan diameter mendekati 1.
Dalam perancangan ini dipilih L = 8 in = 0,2032 m dan D1= 8,9 in = 0,22606 m
c. Jari-jari kelengkungan sudu turbin (ρ)
a = 0,178,903
a = 1,5135 in = 0.03844290 m
e. Jarak antar sudu
Jarak antar sudu pancaran air masuk (s1),
s1 = kD1
s1 = 0,0878,903
s1 = 0,7746 in = 0,01967 m
Jarak antar sudu (t) dengan sudut masuk (β1) =30o
t = s1/sin β1
t = 0,7746 /sin 30
t = 1,5491 in = 0,0393 m
Jarak antar sudu pancaran air keluar (s2),
dengan :
r1 =D1/2
r1 = 8,903/2
r1 = 4,4516 in = 0,1130 m
r2 = (D12 a ) /2
r2 = (8,903-21,5135)/2
r2 = 2,9381 in = 0,0746 m
maka
s2 = t(r2/r1)
s2 =1,0224 in = 0,0259 m
h. Jarak pancaran dari keliling dalam (y2)
A = 0,750285/17,4467
A = 0,043 ft2
A = 0,043144 =6,1926 in2 =0,00399 m2
Tinggi pancaran air nosel (so)
so = A / L
so = 6,1926 / 8
so = 0,7740 in =0,0196 m
j. Kecepatan Putar
D1 =862H½/N
N = (862/D1) H½
N = (862/8,903)4,9215½
N = 214,788 rpm
k. Sudut pusat sudu jalan
Tan ½ δ = cosβ1/(sin β1+r2/r1)
Tan ½ δ = cos 30/(sin 30+2,9381/4,4516)
δ = 73,48o
l. Efisiensi turbin maksimal
ε max = 0,5 C2 (1 + ψ ) cos2 α1
ε max = 0,5 0,982 (1 + 0,98 ) cos2 16
3.2.3 Gambar Teknik Turbin Crossflow
3.3 Perancangan Turbin Crossflow dengan Sudu Jalan Terbuat dari Pipa
Berdiameter 3 inchi
3.3.1 Perhitungan
Sudu jalan turbin Crossflow terbuat dari pipa dengan diameter 3 inchi
sehingga dapat diketahui:
Maka konstruksi turbin dapat dihitung
a = 1,5639 in = 0,0381 m
d. Jarak antar sudu
Jarak antar sudu pancaran air masuk (s1),
s1 = kD1
Jarak antar sudu pancaran air keluar (s2),
e. Jumlah sudu (n)
n = л D1/t
n = (3,149,1996)/ 1,6007
n =18,0551
Jumlah sudu dibulatkan menjadi 18 buah
f. Jarak pancaran dari poros (y1)
y1 = (0,1986-0,945k) D1
y1 = (0,1986-0,9450,087) 9,1996
y1 = 1,0706 in =0,0271 m
g. Jarak pancaran dari keliling dalam (y2)
y2 = (0,1314-0,945k) D1
y2 = (0,1314-0,9450,087) 9,1996
y2 = 0,4525 in =0,0114 m
h. Nosel
Penampang nosel (A)
A = Q/V1
dengan:
V1=C (2gH)½
V1=0,98(232,24,9215)½
V1=17,4467 ft2/s
maka :
A = 0,750285/17,4467
A = 0,043 ft2
A = 0,043144 =6,1926 in2
Tinggi pancaran air nosel (so)
so = A / L
so = 6,1926 / 7,7422
so = 0,7998 in
i. Kecepatan Putar
D1 =862H½/N
N = (862/D1) H½
N = (862/9,1996)4.9215½
N = 207,867 rpm
j. Sudut pusat sudu jalan
Tan ½ δ = cosβ1/(sin β1+r2/r1)
Tan ½ δ = cos 30/(sin 30+3,0358 /4,5998)
δ = 73,48o
k. Efisiensi turbin maksimal
ε max = 0,5 C2 (1 + ψ ) cos2 α1
ε max = 0,5 0,982 (1 + 0,98 ) cos2 16
ε max = 0,87 = 87 %
asumsi yang efisiensi diambil = 60 % sehingga memenuhi karena kurang
3.3.3 Gambar Teknik Turbin Crossflow
Gambar 3.2 Kelengkungan sudu turbin Crossflow dengan pipa berdiameter 3 inchi dengan sudut
3.4 Pembahasan
Pada perancangan turbin Crossflow dengan sudu jalan menggunakan pelat
yang diroll dan perancangan dengan menggunakan pipa berdiameter 3 inchi, pada
dasarnya adalah sama, hal ini dikarenakan persamaan yang digunakan adalah
sama. Perbedaan yang mendasar pada kedua perancangan ini terletak pada
penentuan diameter luar runner dan panjang turbin. Pada perancangan dengan
menggunakan plat yang diroll, perancang harus menentukan perbandingan
diameter luar runner dan panjang turbin sampai diperoleh nilai perbandingan
mendekati 1. Nilai diameter dan panjang hasil perbandingan yang dipilih
merupakan nilai untuk menentukan geometri turbin yang lainnya. Sedangkan pada
perancangan dengan menggunakan pipa berdiameter 3 inchi, perancang dapat
langsung menentukan diameter luar runner dan panjang turbin serta geometri
turbin lainnya.
Perancangan turbin dengan menggunakan pipa berdiameter 3 inchi lebih
menguntungkan hal ini dikarenakan:
a. Perancang dapat langsung menentukan diameter luar runner dan panjang
turbin serta geometri turbin lainnya.
b. Tidak perlu melakukan pengerollan pelat untuk membuat sudu jalan
turbin, belahan pipa dengan sudut tertentu langsung dapat dijadikan sudu
jalan turbin.
c. Untuk lebih efisien dan lebih memudahkan dalam hal pembuatan, pipa
dibelah menjadi 4 dengan masing-masing sudut 90o. Akan tetapi terdapat 2 kemungkinan untuk membuat sudut β2‟tetap 90o
membesarkan diameter luar runner (gambar 3.4) atau mengecilkan
diameter dalam runner (gambar 3.5).
Gambar 3.4 Kelengkungan sudu turbin Crossflow dengan pipa berdiameter 3 inchi dengan sudut
Gambar 3.5 Kelengkungan sudu turbin Crossflow dengan pipa berdiameter 3 inchi dengan sudut
BAB IV
KESIMPULAN
4.1 Hasil Perancangan
4.1.1 Perancangan turbin Crossflow dengan sudu jalan terbuat dari pelat
yang diroll.
a. Diameter turbin (D1) = 8,9 in = 0,2260 m
b. Panjang Turbin (L) = 8 in = 0,2032 m
c. Jari-jari kelengkungan sudu turbin (ρ) = 1,4516 in = 0,0368 m
d. Lebar velk radial (a ) = 1,5135 in = 0,0384 m
e. Jarak antar sudu pancaran air masuk (s1) = 0,7746 in = 0,0196 m
f. Jarak antar sudu (t) (sudut masuk (β1) =30o) = 1,5491 in = 0,0393 m
g. Jarak antar sudu pancaran air keluar (s2) = 1,0224 in = 0,0259 m
h. Jumlah sudu (n) = 18 buah
i. Jarak pancaran dari poros (y1) = 1,0362 in = 0,0263 m
j. Jarak pancaran dari keliling dalam (y2) = 0,4379 in = 0,0111 m
k. Penampang nosel (A) = 6,1926 in2 = 0,5753 m
l. Tinggi pancaran air nosel (so) = 0,7740 in = 0,0196 m
m. Kecepatan Putar (N) = 214,788 rpm
n. Sudut pusat sudu jalan (δ) = 73,48o
4.1.2 Perancangan turbin Crossflow dengan sudu jalan terbuat dari pipa
berdiameter 3 inchi
a. Diameter turbin (D1) = 9,1996 in = 0,2336 m
b. Panjang Turbin (L) = 7,7422 in = 0,1966 m
c. Jari-jari kelengkungan sudu turbin (ρ) = 1,5 in = 0,0381 m
d. Lebar velk radial (a ) = 1,5639 in = 0,0397 m
e. Jarak antar sudu pancaran air masuk (s1) = 0,8003 in = 0,0203 m
f. Jarak antar sudu (t) (sudut masuk (β1) =30o) = 1,6007 in = 0,0406 m
g. Jarak antar sudu pancaran air keluar (s2) = 1,0565 in = 0,0268 m
h. Jumlah sudu (n) = 18 buah
i. Jarak pancaran dari poros (y1) = 1,0706 in = 0,0271 m
j. Jarak pancaran dari keliling dalam (y2) = 0,4525 in = 0,0114 m
k. Penampang nosel (A) = 6,1926 in2 = 0,5753 m
l. Tinggi pancaran air nosel (so) =0,7740 in = 0,0196 m
m. Kecepatan Putar (N) = 214,788 rpm
n. Sudut pusat sudu jalan (δ) = 73,48o
DAFTAR PUSTAKA
Cole, Joe, 2004, Crossflow Turbine Abstracts
Dietzel, Fritz , 1996, Turbin Pompa dan Kompresor, cetakan ke-5, Penerbit
Erlangga, Jakarta
Mockmore, CA., 1949, The Banki Water Turbine, Oregon State College.
Menteri Energi dan Sumber Daya Mineral Republik Indonesia, 2003, Kebijakan
Pengembangan Energi Terbarukan dan Konservasi Energi (Energi Hijau),
Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral, Jakarta
Pence, Celso, 1998, Layman’s Handbook on How to Develop a Small Hydro Site,
