TURBIN ALIRAN SILANG DENGAN JUMLAH
SUDU 16 UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK
TUGAS AKHIR
Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Jurusan Teknik Mesin
Disusun oleh : Danang Prihartarto
NIM : 035214033
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2008
CROSSFLOW TURBINE WITH 16 BLADES
FOR GENERATOR
FINAL PROJECT
Presented as Partial Fulfillment of the Requirements to Obtain the Sarjana Teknik Degree
in Mechanical Engineering
By
Danang Prihartarto
Student Number: 035214033MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
HALAMAN PERSEMBAHAN
Tugas akhir ini saya persembahkan untuk : 1. Alm. Bp. Karmanto
2. Bu Sukarni 3. Mas Budhi 4. Mas Radik
5. Paulina
MOTTO
Life is beautiful
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam tugas akhir ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Yogyakarta, Maret 2008 Penulis
Danang Prihartarto
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN
PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Yang bertanda tanggan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma:
Nama : Danang Prihartarto
Nomor Mahasiswa : 035214033
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul :
……… …... Turbin Aliran Silang Dengan Jumlah Sudu 16 Untuk Pembangkit Listrik ... ... beserta peragkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, me- ngalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dam mempublikasikan di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.
Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya. Dibuat di Yogyakarta
Pada tanggal : Maret 2008
Yang menyatakan
INTISARI
Energi air dimanfaatkan untuk menggerakkan Turbin Aliran Silang. Turbin Airan Silang ini digunakan untuk pembangkit listrik dengan bantuan alternator. Turbin Aliran Silang biasanya sudu dibuat dari plat yang dilengkung. Hal ini sulit diaplikasikan di masyarakat sehingga dalam penelitian ini pembuatan sudunya disederhanakan yaitu dengan pipa besi berdiameter 0,076 m yang dibelah menjadi 4 sama besar.
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui daya maksimum yang dihasilkan oleh Turbin Aliran Silang dengan jumlah sudu 16, yang mana tinggi air jatuh (head) dan kapasitas air (debit) sudah ditentukan. Turbin Aliran Silang tediri dari runner dan nosel. Diameter runner Turbin Aliran Silang sebesar 0,23 m dan panjangnya 0,2 m. Sudunya dibuat dari pipa besi berdiameter 0,076 m yang dibelah menjadi 4 sama besar. Penelitian ini menggunakkan variasi beban lampu, yang digunakan adalah lampu 10 watt, 20 watt, 30 watt, 135 watt, 35 watt, 45 watt, 55 watt, 65 watt. Pada saat pengujian diukur putaran poros, arus, tegangan ketika tanpa beban dan ketika diberi beban. Dari data yang diperoleh maka dapat dihitung daya keluaran dan efisiensi total.
Pada pengujian pertama (pada head 1,5 m dan debit 0,015 m3/s), daya keluaran paling besar yaitu 13,54 watt dan efisiensi total yang paling besar adalah 6.78 % yang didapat ketika alternator diberi beban lampu 45 watt. Pada pengujian kedua (pada head 1,3 m dan debit 0,012 m3/s), daya keluaran paling besar yaitu 11,3 watt dan efisiensi total yang paling besar adalah 7,23 % yang didapat ketika alternator diberi beban lampu 45 watt.
KATA PENGANTAR
Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian untuk Tugas Akhir dengan judul
“Turbin Aliran Silang dengan Jumlah Sudu 16 untuk Pembangkit Listrik”. Penulisan Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk merarih gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma
Yogyakarta. Melalui penyusunan tugas akhir ini mahasiswa diharapkan mampu mempunyai daya analisa yang tajam serta membantu memperdalam ilmu yang
telah diperoleh selama masa kuliah.
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 sebesar-besarnya
kepada :
1. Romo Ir. Gregorius Heliarko, S.J., S.S., B.S.T., M.A., Msc., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.
2. Bapak Budi Sugiharto, S.T., M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin, Ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata
Dharma.
3. Bapak Yosef Agung Cahyanta, S.T, M.T sebagai Dosen Pembimbing Tugas Akhir yang telah memberikan bimbingan dan pengarahan dalam penyelesaian
4. Bapak Doddy Purwadianto, S.T., M.T. selaku dosen pembimbing akademik.
5. Segenap Dosen di Jurusan Teknik Mesin, yang telah membimbing selama kuliah di Universitas Sanata Dharma.
6. Kepala Laboratorium Konversi Energi Jurusan Teknik Mesin Universitas
Sanata Dharma yang telah memberikan ijin dan fasilitas yang dipergunakan serta karyawan yang telah membantu dalam penelitian ini.
7. Teman-teman mahasiswa khususnya angkatan 2003 Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma dan semua pihak yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu.
Penulis menyadari bahwa dalam penulisan Tugas Akhir ini masih banyak terdapat kekurangan dan kesalahan serta jauh dari sempurna. Oleh karena itu
penulis mengharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun untuk penyempurnaan Tugas Akhir ini.
Akhirnya harapan penulis, semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat
bagi semua pihak dan dapat dijadikan bahan kajian lebih lanjut.
Yogyakarta, Maret 2008
Penulis
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ...i
LEMBAR PERSETUJUAN ...iii
LEMBAR PENGESAHAN ...iv
HALAMAN PERSEMBAHAN ... v
MOTTO ...vi
PERNYATAAN ...vii
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH ...viii
INTISARI ...ix
KATA PENGANTAR ... x
DAFTAR ISI ...xii
DAFTAR GAMBAR ... xv
DAFTAR TABEL...xvi
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Rumusan Masalah ... 2
1.3. Tujuan Penelitian ... 3
BAB II DASAR TEORI 2.1. Tinjauan Pustaka ... 4
2.2. Bagian-bagian Turbin Aliran Silang ... 5
2.4. Alur Pergerakkan Air pada Turbin Aliran Silang ... 9
2.5. Konstruksi Turbin Aliran Silang ... 11
BAB III METODE PENELITIAN 3.1. Diagram Alir Penelitian ... 19
3.2. Perancangan Turbin Aliran Silang ... 19
3.3. Pelaksanaan Penelitian ... 29
3.3.1. Sarana Penelitian ... 29
3.3.2. Skema Penelitian ... 30
3.3.3. Jalannya Penelitian ... 31
3.3.3.1. Persiapan ... 31
3.3.3.2. Penelitian ... 32
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Hasil Penelitian ... 33
4.1.1. Data Hasil Penelitian ... 33
4.1.2. Perhitungan Data Hasil Penelitian ... 34
4.2. Pembahasan ... 36
4.2.1. Pembahasan Tentang Daya Keluaran Hasil Penelitian Secara Keseluruhan ... 36
4.2.2. Pembahasan Tentang Efisiensi Total Hasil Penelitian Secara Keseluruhan ... 37
BAB V PENUTUP
5.1. Kesimpulan ... 40 5.2. Saran ... 40 DAFTAR PUSTAKA ... 42
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Turbin Aliran Silang ... 5
Gambar 2.2 Runner Turbin Aliran Silang ... 6
Gambar 2.3 Alternator ... 7
Gambar 2.4 Skema Turbin Aliran Silang ... 8
Gambar 2.5 Aliran pergerakkan air pada Turbin Aliran Silang ... 10
Gambar 2.6 Defleksi pergerakkan air pada Turbin Aliran Silang ... 10
Gambar 2.7 Segitiga kecepatan pada Turbin Aliran Silang ... 11
Gambar 2.8 Gabungan segetiga kecepatan pada Turbin Aliran Silang ... 12
Gambar 2.9 Kelengkungan sudu ... 13
Gambar 2.10 Jarak antar sudu ... 14
Gambar 2.11 Alur pancaran air... 15
Gambar 3.1 Skema penelitian Turbin Aliran Silang ... 30
Gambar 4.1 Grafik daya keluaran (Pout) vs putaran alternator ... 36
Gambar 4.2 Grafik efisiensi total (η) vs putaran alternator ... 37
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Data penelitian pada head 1,5 m dan debit 0,015 m3/s ... 33 Tabel 4.2 Data penelitian pada head 1,3 m dan debit 0,012 m3/s ... 34
Tabel 4.3 Hasil perhitungan data penelitian pada head 1,5 m dan
debit 0,015 m3/s ... 34 Tabel 4.4 Hasil perhitungan data penelitian pada head 1,3 m dan
BAB I
PENDAHULUAN
1.1Latar Belakang
Teknologi alat pembangkit energi pada saat ini sudah banyak macam,
kegunaan dan manfaatnya. Pada umumnya alat pembangkit energi tersebut
mengunakan energi fosil sebagai energi dasar, berupa gas bumi, minyak bumi dan
batu bara. Akhir-akhir ini manusia dikhawatirkan dengan krisis energi bahan
bakar fosil dan efek buruk hasil pembakaran bahan bakar fosil tersebut sehingga
dikembangkan berbagai bentuk energi alternatif dengan memanfatkan energi alam
berupa energi surya, air, angin dan gelombang.
Air merupakan salah satu sumber daya alam yang tidak terbatas
jumlahnya, yang potensinya dapat digunakan sebagai energi alternatif untuk
menggantikan pengunaan energi fosil. Oleh karena itu manusia mulai
mengembangkan energi air sebagai sumber energi alternatif khususnya sebagai
penghasil energi listrik. Dengan memanfaatkan energi air ini maka manusia juga
dapat mengurangi efek buruk yang ditimbulkan oleh energi fosil yang berupa
polusi. Pada prakteknya energi air yang termanfaatkan hanya energi air yang besar
saja, sehingga diberbagai tempat yang mempunyai potensi energi air kecil yang
tidak termanfaatkan. Di lain pihak banyak kelompok masyarakat terpencil yang
belum bisa menikmati energi listrik distribusi dari pusat. Sehingga diperlukan
teknologi terapan untuk memanfaatkan potensi-potensi energi air tersebut.
Teknologi tersebut tidak harus mempunyai efisiensi yang besar, tetapi yang
2
penting teknologi itu harus mudah diterapkan dan diaplikasikan oleh masyarakat
pada umumnya.
Turbin Aliran Silang adalah salah satu alat yang dapat mengkonversi
energi air menjadi energi listrik dengan bantuan generator. Turbin Aliran Silang
cocok digunakan untuk daerah-daerah yang potensinya airnya kecil misalnya di
sungai-sungai kecil, kapasitas airnya (debit) antara 0,01 m3/s sampai dengan 7
m3/s dan tinggi air jatuh (head) antara 1 m sampai denagn 200 m. Turbin Aliran
Silang terdiri dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan pararel
dan sebuah nosel.
1.2Rumusan Masalah
Selama ini energi air yang dimanfaatkan hanya energi air yang besar saja,
sedangkan diberbagai tempat banyak mempunyai potensi energi air kecil yang
belum dimanfaatkan. Dalam hal ini banyak kelompok masyarakat terpencil yang
belum bisa menikmati energi listrik distribusi dari pusat. Sehingga diperlukan
teknologi terapan untuk memanfaatkan potensi-potensi energi air kecil tersebut
untuk memenuhi kebutuhan listrik untuk masyarakat terpencil.
Saat ini kebanyakan sudu turbin aliran silang dibuat dengan menggunakan
plat yang dilengkung. Karena membuat sudu turbin aliran silang dengan
menggunakan plat yang dilengkung sulit, maka untuk mempermudah pembuatan
sudunya dibuat dengan menggunakan pipa berdiameter 0,076 m yang dibelah
3
1.3Tujuan Penelitian
Penelitian yang dilakukan bertujuan untuk mengetahui unjuk kerja Turbin
Aliran Silang dengan jumlah sudu 16 sehingga dapat diketahui daya dan efisiensi
total yang paling besar. Penelitian ini diharapkan dapat memberikan tambahan
pengetahuan tentang tenaga air atau hydropower, khususnya yang berkaitan
BAB II DASAR TEORI
Turbin Aliran Silang berfungsi untuk mengkonversi energi ptensial air
menjadi energi mekanis. Air dialirkan melalui sebuah nosel yang kemudian masuk ke sudu turbin menggerakkan runner dan poros yang terhubung dengan generator.
Generator yang berputar selanjutnya menghasilkan energi listrik.
2.1. Tinjauan Pustaka
Dalam penelitian tentang Crossflow Turbine yang berjudul Parametric Study on Perfomance of Cross-Flow Turbine, C. B. Joshi, 1995 mengatakan
bahwa semakin banyak jumlah sudunya maka semakin besar efisiensi turbinnya. Dari penelitian Nadjamuddin Harun, M. Yamin dan N. Salam, 1995 tentang Turbin Banki pada debit aliran sungai (Q) = 0,0899 m3/s pada kecepatan aliran (v)
= 0,5015 m/s dan luas penampang (A) = 0,17931 m2, tinggi jatuh efektif (H) = 7 meter diperoleh efisiensi turbin = 75%, daya (P) = 10 Kw. Diameter roda turbin (D) = 31,5 cm. Drs. Rukman, M.T merancang Turbin Crossflow dengan tujuan
untuk mengetahui ukuran; pembuatan dan perhitungan biaya runner. Perancangan dilakukan berdasarkan data lapangan. Data ini meliputi debit dan head dengan
panjang dan jumlah sudu tetap. Sensitivitas dalam perancangan ini adalah memvariasikan debit dan head, baik debit terhadap head maupun head terhadap debit. Hasil perancangan menunjukkan dengan efisiensi 80%, turbin dapat
5
yang dilakukan oleh Multi Bina Teknika Utama didapat daya keluaran 900 W
pada putaran 1500 rpm. Diameter runner adalah 0,17 m, debit air 0,00625 m3/s, head 50 m.
2.2. Bagian-bagian Turbin Aliran Silang
Nosel
Runner
Gambar 2.1 Turbin Aliran Silang
6
Sudu
piringan
Alternator
Gambar 2.2 Runner Turbin Aliran Silang
(http://www.otherpower.com/scotthydro.html)
Turbin Aliran Silang terdiri dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel dan sebuah nosel. Ukuran nosel disesuaikan dengan
ukuran runner turbin.
Altenator adalah suatu alat elektromekanikal yang mengkonversi daya mekanis menjadi energi elektrik. Pada prinsipnya alternator dapat juga disebut
sebagai generator, tetapi biasanya altenator lebih mengacu pada bentuk yang lebih kecil yang biasa digunakan pada otomotif. Altenator memiliki 3 bagian yang
penting, yaitu : 1. Rotor
Yang dimakud dengan rotor adalah bagian yang berputar yang menjadi
7
sebagai kutub magnet yang terletak pada sisi luar dari lilitan. Rotor
ditumpu oleh dua buah bearing, pada bagian depannya terdapat puli. 2. Stator
Stator adalah bagian yang statis pada altenator yang berupa inti besi
yang dibungkus dengan kawat tembaga. Bagian ini berupa lilitan yang berfungsi untuk menghasilkan arus bolak-balik (AC).
3. Dioda
Dioda mengkonversi arus bolak-balik yang dihasilkan oleh pasangan rotor dan stator menjadi arus searah.
Besarnya arus yang dihasilkan oleh altenator tergantung pada besarnya putaran alternator dan kekuatan medan magnet. Altenator menghasilkan listrik
dengan prinsip yang sama pada DC generator, yakni adanya arus pengumpan yang disebut arus eksitasi saat terjadi medan magnet disekitar kumparan.
Gambar 2.3 Altenator (Forcefield, 2003)
8
2.3. Prinsip Dasar Turbin Aliran Silang
Turbin Aliran Silang (Crosflow Turbine) ditemukan oleh Michell-Banki. Yang kemudian turbin ini juga dikenal dengan nama Turbin Michell-Banki. Turbin ini juga disebut dengan Turbin Ossberger, Ossberger adalah nama
perusahaan yang memproduksi Turbin Aliran Silang. Turbin Aliran Silang termasuk turbin impuls. Pancaran air dari nosel masuk ke turbin melalui sudu
jalan sehingga terjadi perubahan energi kinetik menjadi energi mekanis. Pancaran air yang masuk ke 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 %.
9
2.4. Alur Pergerakkan Air pada Turbin Aliran Silang
Pada gambar 2.5 diasumsikan bahwa pancaran air dari nosel masuk kedalam runner pada titik A dengan sudut α yang bersinggungan dengan keliling
runner. Kecepatan air sebelum memasuki runner dapat dihitung dengan persamaan:
V1=C (2gH)½ (Banki, 2004, hal 6) ... 2.1 dengan :
V1 = Kecepatan absolut. H = Head ketinggian
C = Koefisien berdasarkan nosel
Dalam turbin berhubungan dengan komponen – komponen kecepatan yaitu: V = Kecepatan mutlak
v = Kecepatan relatif
u = Kecepatan tangensial roda turbin.
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
10
Gambar 2.5 Aliran pergerakan air pada Turbin Aliran Silang (Mockmore, 2004, hal. 6)
Alur pergerakan air pada kenyataannya tidak seperti yang terdapat dalam
gambar 2.5 karena terdapat defleksi sebesar θ seperti dalam gambar 2.6.
Gambar 2.6 Defleksi pada pergerakan air pada Turbin Aliran Silang
11
2.5. Konstruksi Turbin Aliran Silang
Sudut β1 ditentukan oleh nilai α1,V1, dan u1.
Gambar 2.7 Segitiga kecepatan pada Turbin Aliran Silang (Mockmore, 2004, hal. 8)
Jika u1 = ½ V1cos α1 ... 2.2
maka tan β1= 2 tan α1 ... 2.3 jika α1 = 16o
maka β1=29o ,50o atau 30o atau nilai pendekatan.
(Mockmore, 2004, hal 10)
β2' adalah sudut sudu keluar sisi atas pada keliling dalam runner. Dengan asumsi
12
Gambar 2.8 Gabungan segitiga kecepatan pada Turbin Aliran Silang (Mockmore, 2004, hal 11)
a. Diameter Luar runner (D1)
D1 = 862H½/N (Mockmore, 2004, hal 14) ... 2.4
dengan :
H = head ketinggian (in)
N = putaran turbin (rpm) b. Panjang Turbin (L)
L = 144QN/862 H½ Ck(2gH)½ (Mockmore, 2004, hal 15) ... 2.5
Dengan :
Q = Debit aliran air (cfs)
13
c. Perbandingan panjang dan diameter turbin
LD1 = 210.6Q/H2 1
(Mockmore, 2004, hal 17) ... 2.6 d. Jari-jari kelengkungan sudu (ρ)
ρ = 0.3261 r1 (Mockmore, 2004, hal 15) ... 2.7
dengan :
r1 = jari-jari luar runner (in)
e. Lebar velk radial (a )
a = 0,17D1 (Mockmore, 2004, hal 12) ... 2.8
14
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 2.14)
s1 = kD1 (Mockmore, 2004, hal 14) ... 2.9
s2 = t(r2/r1) (Mockmore, 2004, hal 11) ... 2.10 t =s1/sin β1 (Mockmore, 2004, hal 10) ... 2.11
Gambar 2.10 Jarak antar sudu (Mockmore, 2004, hal. 9)
g. Jumlah sudu (n)
15
h. Jarak pancaran dari poros (y1) (gambar 2.17)
y1 = (0.1986-0.945k) D1 (Mockmore Banki, 2004, hal 14) .. 2.13 i. Jarak pancaran dari keliling dalam (y2 ) (gambar 2.17)
y2 = (0.1314-0.945k) D1 (Mockmore, 2004, hal 14) ... 2.14
Gambar 2.11 Alur pancaran air (Mockmore, 2004, hal. 13)
j. Efisiensi maksimal turbin
jika u1 = ½ V1cos α1 maka tan β1= 2 tan α1
ψ = koefisien empiris yang nilainya sekitar (0,98)
16
ε max = 0,5 C2 (1 + ψ ) cos2 α1 (Mockmore, 2004, hal 9) ... 2.15
k. Nosel
Meliputi penampang nosel (A) dan tinggi pancaran air nosel (so)
A = Q/V1 (Mockmore, 2004, hal 17) ... 2.16 So = A / L (Mockmore, 2004, hal 17) ... 2.17
l. Sudut pusat sudu jalan (gambar 2.12)
Tan ½ δ = cosβ1/(sin β1+r2/r1) ... 2.18 m. Perhitungan poros
Parameter-parameter yang digunakan dalam perhitungan poros sebagai berikut ;
• P = daya yang ditransmisikan (kW)
• Fc = faktor koreksi (Sularso, 2004, hal. 7)
• n = putaran poros (rpm)
• Pd = fc×P (kW) ... 2.19
• T = momen puntir rencana (kg.mm)
T = 9,74×105× n Pd
... 2.20
• σ B = kekuatan tarik bahan (kg/mm 2
)
17
• Cb = faktor Cb nilainya 1,2 sampai 2,3. Jika diperkirakan tidak terjadi
pembebanan lentur maka Cb = 1.
• 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 jika beban kejutan atau tumbukan besar.
• τa=
• ds = diameter minimal poros (mm)
ds = 3
n. Perhitungan Daya yang tersedia (Pin)
P = o. Perhitungan Daya Keluaran (Pout)
Pout = V x I ... 2.24
18
p. Perhitungan Torsi Guna Turbin (T)
T =
n Pout
×
55 ,
9 ... 2.25
n = Putaran
q. Perhitungan Efisiensi Total (η)
η = ×100% in
out
P P
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Diagram Alir Penelitian
SELESAI PENGOLAHAN DATA PENGAMBILAN DATA
PEMBUATAN TURBIN ALIRAN SILANG
PENELITIAN TURBIN ALIRAN SILANG PERANCANGAN TURBIN ALIRAN SILANG
STUDI PUSTAKA START
3.2 Perancangan 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 : Tinggi tekan / head (H) = 1,5 meter
= 4,92126 ft
20
Kapasitas aliran / Debit (Q) = 336,75 US gpm
= 0,750cfs
= 0,021 m3/s
Asumsi :
Koefisien nosel (C) = 0,98 Faktor koreksi (k) = 0,087
Sudut masuk (α1) = 16º
Sudut keluar (β2') = 90° (untuk membuat aliran pancaran air radial).
Perancangan Turbin Aliran Silang dengan sudu jalan yang terbuat dari pipa berdiameter 3 in (0,076 m).
Perhitungan :
Sudu jalan Turbin Aliran Silang terbuat dari pipa dengan diameter 3 inci
(0,076 m), sehingga dapat diketahui :
a. Jari-jari kelengkungan sudu turbin (ρ)
ρ =
2 3
in
ρ = 1,5 in ρ = 0,038 m
21
c. Panjang turbin (L)
22
e. Jarak antar sudu pancaran air masuk (s1)
s1 = k D1
23
dari n = 18 maka Turbin Aliran Silang ini dikemungkinan dapat dibuat dengan jumlah sudu 16, 18, 20. Dalam perancangan ini dpilih
jumlah sudu 16.
i. Jarak pancaran dari poros (y1) y1 = (0,1986-0,945k) D1
y1 = (0,1986-0,945×0,087) 9,1996
24
j. Jarak pancaran dari keliling dalam (y2)
y2 = (0,1314-0,945k) D1
y2 = (0,1314-0,945×0,087) 9,1996 y2 = 0,453 in
y2 = 0,012 m
k. Luas penampang nossel (A)
25
l. Tinggi pancaran air nosel (So)
26
o. Efisiensi maksimal turbin
ε max = 0,5 C
p. Daya maksimal yang tersedia
Pmax =
27
28
Geometri Turbin Aliran Silang :
a. Jari-jari kelengkungan sudu = 1,5 in = 0,038 m b. Diameter turbin (D1) = 9,199 in = 0,234 m c. Panjang turbin (L) = 7,742 in = 0,197 m
d. Lebar sudu (a) = 1,564 in = 0,039 m e. Jarak antar sudu dalam turbin (S1) = 0,8 in = 0,02 m
f. Jarak antar sudu (t) = 1,6 in = 0,04 m g. Jarak antar sudu luar turbin (S2) = 1,056 in = 0,026 m h. Jumlah sudu (n) = 16 buah
i. Jarak pancaran dari poros (y1) = 1,07 in = 0,027 m j. Jarak pancaran dari keliling (y2) = 0,453 in = 0,012 m
k. Luas penampang nozel (A) = 0,043 ft2 = 0,004 m l. Tinggi pancaran air nosel (So) = 0,799 in = 0,02 m m. Kecepatan putar (N) = 207,867 rpm
n. Sudut pusat sudu jalan (δ ) = 73,48o o. Efisiensi turbin maksimal = 87 %
p. Daya maksimal yang tersedia = 0,3650 HP = 272,18 watt
29
3.3 Pelaksanaan Penelitian
Pelaksanaan penelitian dibagi menjadi 3 bagian yaitu sarana pennelitian, skema penelitian dan jalannya penelitian.
3.3.1 Sarana Penelitian
Sarana penelitian yang digunakan pada percobaan ini adalah sebagai
berikut:
a. Turbin Aliran Silang
Turbin Aliran Silang ini terdiri dari runner dan nosel.
b. Pompa Air
Pompa air digunakan sebagai sumber tenaga untuk memompa air
menuju bak penampungan. Air yang ada di bak penampungan kemudian dialirkan dengan selang menuju kearah runner turbin melalui nosel hingga memutar runner turbin. Spesifikasi pompa yang digunakan:
Jenis pompa : pompa model ns-100 Debit maksimal : 449 US gpm = 0,028 m3/ s Head maksimal : 82 feet = 24,99 m
30
c. Alternator
Alternator digunakan untuk mendapatkan keluaran yang berupa tegangan dan arus listrik.
d. Multimeter
Multimeter digunakan untuk mengukur arus dan tegangan yang dihasilkan oleh Turbin Aliran Silang.
e. Lampu
Pada penelitian ini lampu yang digunakan sebagai beban, yaitu 10 watt, 20 watt, 30 watt, 35 watt, 45 watt, 55 watt, 65 watt.
3.3.2 Skema Penelitian
31
3.3.3 Jalannya Penelitian
Jalannya penelitian ini dilaksanakan dalam dua tahap, yaitu tahap persiapan dan tahap penelitian.
3.3.3.1Persiapan
1. Persiapan Penelitian
Runner di pasang pada kontruksi yang sudah disiapkan. Profil siku
dirangkai dengan mur-baut menjadi rangka pendukung yang akan mendukung nossel dan altenator. Pada poros runner dihubungkan ke
bagian altenator dengan sabuk dan puli. Pada setiap penelitian diberi beban berupa lampu yang divariasikan. Bagian atas dan samping dari
altenator diberi penutup yang terbuat dari fiber untuk mencegah air mengenai altenator.
2. Penelitian Awal
Setelah rangkaian Turbin Aliran Silang ini sudah selesai dirakit, maka rangkaian Turbin Aliran Silang ini perlu diujicoba untuk mengetahui apakah runner dapat berputar dengan baik atau tidak. Pompa air disiapkan
untuk memompa air ke bak penampungan. Melalui bak penampungan air dialirkan melalui pipa dan melewati nosel menuju runner, air
32
3.3.3.2Penelitian
1. Penelitian pertama dilakukan pada head 1,5 m. Yang dilakukan pertama yaitu mengukur debit air pada head 1,5 m. Setelah mendapatkan besarnya debit maka penelitian selanjutnya dapat dilakukan.
2. Penelitian dilakukan dengan melakukan variasi beban. Data yang diambil pada saat percobaan adalah tegangan dan arus yang dihasilkan pada saat
dikenai beban lampu.
3. Pada penelitian pertama, Turbin Aliran Silang diberi beban lampu 10 watt kemudian pompa air dijalankan hingga memutar turbin. Kemudian diukur
dengan menggunakan tachometer untuk mengukur putaran dan multimeter untuk mengukur tegangan dan arus yang dihasilkan.
4. Penelitian dilakukan kembali untuk variasi jumlah beban lampu 20, 30, 35, 45, 55, 65 watt dengan cara yang sama.
5. Untuk penelitian yang kedua dilakukan untuk head 1,3 m. Seperti pada
pengujian sebelumnya, pertama ditentukan terlebih dahulu sampai pada debit yang stabil pada head 1,3 m.
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Penelitian 4.1.1 Data Hasil Penelitian
Data yang diperoleh dari sarana penelitian adalah variasi head dan debit
hasilnya sebagai berikut :
a. Penelitian pertama
Tabel 4.1. Data penelitian pada head 1,5 m dan debit 0,015 m3/s
beban putaran V I
(watt) (rpm) (volt) (ampere)
65 745 6,80 1,87
55 756 7,28 1,83
45 770 7,65 1,77
35 792 8,12 1,62
30 815 8,41 1,49
20 846 9,10 1,22
10 905 9,78 0,68
0 936 10,53 0
34
b. Penelitian kedua
Tabel 4.2. Data penelitian pada head 1,3 m dan debit 0,012 m3/s
beban putaran V I
(watt) (rpm) (volt) (ampere) 65 640 6,10 1,80
4.1.2 Perhitungan Data Hasil Penelitian
a. Hasil Perhitungan DataPenelitian Pertama Tabel 4.3. Hasil perhitungan data penelitian dengan head 1,5 m; Debit = 0,015 m3/s
35
b. Hasil Perhitungan Data Penelitian Kedua Tabel 4.4. Hasil perhitungan data penelitian dengan head 1,3 m ; Debit = 0,012 m3/s
putaran beban V I Daya(P_out) Efisiensi Torsi (rpm) (watt) (volt) (ampere) (watt) (%) (Nm)
640 65 6,10 1,80 10,98 7,03 0,16 653 55 6,50 1,73 11,25 7,19 0,17 671 45 6,85 1,65 11,30 7,23 0,16 686 35 7,02 1,51 10,60 6,78 0,15 705 30 7,25 1,38 10,00 6,40 0,14
728 20 7,69 1,14 8,77 5,61 0,12
779 10 8,22 0,65 5,34 3,42 0,07
36
4.2 Pembahasan
4.2.1 Pembahasan Tentang Daya Keluaran Hasil Penelitian Secara Keseluruhan
600 650 700 750 800 850 900 950 1000
putaran alternator (rpm)
head 1,5 meter ; debit 0,015 meter kubik/detik head 1,3 meter ; debit 0,012 meter kubik/detik
Gambar 4.1 Grafik daya keluaran (Pout) vs putaran alternator
Dari data hasil penelitian dengan menggunakan head 1,5 m dan debit
0,015 m3/s didapat grafik yang menghasilkan daya maksimal sebesar 13.54 watt. Daya maksimal tersebut didapat pada saat alternator di beri beban lampu 45 watt
dan putaran alternatornya 770 rpm.
37
Daya maksimal tersebut didapat pada saat alternator di beri beban lampu 45 watt
dan putaran alternatornya 671 rpm.
Dari gambar 4.2 ditunjukkan perbandingan 2 buah grafik daya keluaran vs putaran alternator antara data hasil penelitian pada head 1,5 m dan debit 0,015
m3/s dengan data hasil penelitian pada head 1,3 m dan Debit 0,012 m3/s. Dari perbandingan tersebut didapat bahwa semakin besar head dan debitnya maka
putaran yang dihasilkan semakin besar sehingga daya yang dihasilkan juga semakin besar.
4.2.2 Pembahasan Tentang Efisiensi total Hasil Penelitian secara keseluruhan
600 650 700 750 800 850 900 950 1000
putaran alternator (rpm)
head 1,5 meter ; debit 0,015 meter kubik/detik head 1,3 meter ; debit 0,012 meter kubik/detik
38
Dari data hasil penelitian dengan menggunakan head 1,5 m dan debit
0,015 m3/s didapat grafik yang menghasilkan efisiensi total maksimal sebesar 6.78 %. Efisiensi maksimal tersebut didapat pada saat alternator di beri beban lampu 45 watt dan putaran alternatornya 770 rpm.
Dari data hasil penelitian dengan menggunakan head 1,3 m dan debit 0,012 m3/s didapat grafik yang menghasilkan efisiensi total maksimal sebesar
7.23 %. Efisiensi maksimal tersebut didapat pada saat alternator di beri beban lampu 45 watt dan putaran alternatornya 671 rpm.
Dari gambar 4.2 ditunjukkan perbandingan 2 buah grafik efisiensi total vs
putaran alternator antara data hasil penelitian pada head 1,5 m dan debit 0,015 m3/s dengan data hasil penelitian pada head 1,3 m dan debit 0,012 m3/s . Dari
perbandingan tersebut didapat bahwa penelitian pada head 1,3 m dan debit 0,012 m3/s menghasilkan efisiensi total yang lebih besar daripada penelitian dengan head 1,5 m dan debit 0,015 m3/s. Hal ini disebabkan karena terjadi selisih daya
yang tersedia (Pin) cukup banyak antara pengujian pada head 1,5 m dan debit 0,015 m3/s dengan pengujian pada head 1,3 m dan debit 0,012 m3/s (Pin pada head 1,5 m dan debit 0,015 m3/s = 199.63 watt ; Pin pada head 1,3 m dan debit 0,012
m3/s = 156.31 watt). Sedangkan selisih daya keluarannya (Pout) hanya sedikit (Pout pada head 1,5 m dan debit 0,015 m3/s =12.72 watt ; Pout pada head 1,3 m dan
debit 0,012 m3/s = 10.98 watt).
Dari kedua penelitian didapat efisiensi total terbesar 7,23 %, nilai tersebut selisihnya jauh dari efisiensi maksimal (ε max) teoritis yaitu 87 %. Hal ini
39
1. Rugi-rugi gesekan pada saluran air (pipa dan selang) yaitu
gesekan antara air dengan permukan saluran.
2. Rugi-rugi pada sambungan antara pipa dengan pipa, pipa dengan selang, dan selang dengan selang, dimana pada sambungan salah
satu diameter saluran air ada yang lebih besar agar dapat disambung sehingga terjadi hambatan pada laju aliran air. Selain
itu juga terjadi kebcoran pada sambungan-sambungan tersebut. 3. Rugi-rugi pada saluran air yang berbelok.
4. Rugi-rugi pada runner, yaitu putaran runner tidak stabil (oling).
Hal ini disebabkan karena pembuatan runner yang kurang baik terutama pemasangan sudu-sudunya kurang presisi.
5. Rugi-rugi pada aliran air dari nosel, aliran air dari nosel tidak semuanya masuk ke sudu turbin (ada yang menyebar ke samping runner). Untuk menghindari hal tersebut maka panjang nosel
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Dari hasil penelitian Turbin Aliran Silang dengan jumlah sudu 16 ini,
dapat disimpulkan beberapa hal, antara lain:
1. Pada head 1,5 m dan debit 0,015 m3/s, daya keluaran paling besar
yaitu 13,54 watt dan efisiensi total yang paling besar adalah
6,78 %, didapat ketika alternator diberi beban lampu 45 watt.
2. Pada head 1,3 m dan debit 0,012 m3/s, daya keluaran paling besar
yaitu 11,3 watt dan efisiensi total yang paling besar adalah 7,23 %,
didapat ketika alternator diberi beban lampu 45 watt.
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 tidak terjadi oling saat
berputar.
2. Melakukan penelitian dengan variasi debit air lebih banyak dan head
yang lebih tinggi agar mendapatkan hasil data yang lebih akurat dan
41
3. Melakukan penelitian dengan variasi beban yang lebih banyak agar
dapat dilihat perbandingan efisiensinya secara detail.
4. Dalam membuat konstruksi penelitian Turbin Aliran Silang ini
hendaknya dibuat dengan lebih rapi (meminimalkan sambungan dan
belokkan saluran air, menghindari kebocoran pada saluran air)
DAFTAR PUSTAKA
Fritz Dietzel. (1996). Turbin Pompa dan Kompresor, cetakan ke-5. Jakarta: Erlangga
Harun, Nadjamuddin., Yamin, M., Salam, N. (1995). Pemanfaatan Turbin Mikrohidro untuk Pembangkit Tenaga Listrik di Desa Baji Minasa Kecamatan Bulukumpa Kabupaten Bukukumba. http://www.asosiasi-politeknik.or.id/index.php?module=aspi_jurnal&func=display&jurnal_id= 228
Joe Cole. (2004) Crossflow Turbine Abstract. OSC Bulletin #25 “The Banki Crossflow Turbine.
Joshi, C. B, Seshadri, V., Singh, S. N. (1995). Parametric Study on Perfomance of Cross-Flow Turbine. American Society of Civil Engineers.
Mockmore, C. A., Merryfield, Fred. (1949). The Banki Water Turbine. Corvallis: Bulletin Series No. 25.
Rukman. Studi Kajian dan Pengembangan Proses Manufaktur Turbin Cross
Flow.http://72.14.235.104/search?q=cache:EHXbcE9eZsoJ:mst.gadjahma da.edu/mikrohidro/mahasiswa.asp+turbin+aliran+silang+%2B+artikel+tek nik&hl=id&ct=clnk&cd=2&gl=id
Sularso dan Kiyokatsu Suga. (2004). Dasar Perencanaan Dan Pemilihan Elemen Mesin, cetakan ke-11. Jakarta: PT. Pradnya Paramita.
