Turbin aliran silang dengan busur sudu 60Â° - USD Repository

(1)

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Program Studi Teknik Mesin

Oleh :

Stefanus Dwi Winarno NIM : 055214010

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2009

(2)

THE CROSSFLOW TURBINE WITH 60

O

ANGLE OF BLADE

FINAL PROJECT

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements

to Obtain the Sarjana Teknik Degree

in Mechanical Engineering

By :

Stefanus Dwi Winarno Student Number : 055214010

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2009

(3)

(4)

(5)

HALAMAN PERSEMBAHAN

Tugas akhir ini saya persembahkan untuk :

1. Ibu Mardiningsih 2. Bapak Suharno 3. Oma Hommes 4. Alm. Opa Hommes 5. Silvia Ajeng P.N.

(6)

(7)

(8)

INTISARI

Turbin aliran silang banyak digunakan untuk pembangkit listrik skala mikro. Pembuatan sudu turbin dari plat yang dilengkung sulit dilakukan oleh masyarakat. Geometri sudu turbin aliran silang sebenarnya sama dengan geometri 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 1,25 inch. Diameter runner adalah 98 mm dengan lebar runner 104 mm. Besar sudut busur sudu 60o dan jumlah sudu 20 buah. Penelitian dilakukan dengan memvariasikan debit, beban dan tinggi bukaan nozzle. Debit air yang digunakan adalah 10,6L/s, 9,3L/s, dan 8,3L/s. Tinggi bukaan nozzle pada 4 mm , 9 mm dan 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 10 watt, 15 watt, 25 watt, 40 watt, 60 watt, 100 watt. Pada setiap pembebanan putaran turbin diukur dengan tachometer.

Hasil dari penelitian ini, daya terbesar terjadi pada debit 10,6 L/s dan tinggi bukaan nosel 9 mm yaitu 36,4 watt. Efisiensi tertinggi terjadi pada debit 10,6 L/s dan tinggi bukaan nosel 14 mm yaitu 9,08%.

(9)

sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian untuk Tugas Akhir dengan judul “Turbin Aliran Silang dengan Busur Sudu 60o”. 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., Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.

2. Budi Sugiharto, S.T., M.T., Ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma, Serta dosen pembimbing akademik.

3. Yosef Agung Cahyanta, S.T, M.T sebagai Dosen Pembimbing Tugas Akhir yang telah memberikan bimbingan dan pengarahan dalam penyelesaian Tugas Akhir ini.

(10)

4. Ir. FA. Rusdi Sambada, M.T., yang telah memberi masukan dan peminjaman alat.

5. Ir. YB. Lukiyanto, M.T., yang telah memberikan ijin dan tempat untuk melaksanakan penelitian

6. Segenap Dosen di Jurusan Teknik Mesin, yang telah membimbing selama kuliah di Universitas Sanata Dharma.

7. Drs. Dwi Sujoko M.T., Guru STM Pembangunan yang telah membantu dalam pengelasan runner.

8. 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.

9. Silvia Ajeng Putri Natalia, yang selalu memberikan dukungan dan doa.

10.Teman-teman mahasiswa khususnya angkatan 2005 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.

(11)

(12)

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL ... i

HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ... iii

HALAMAN PENGESAHAN ... iv

HALAMAN PERSEMBAHAN ... v

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA. ... vi

(13)

2.2Landasan Teori... 6

2.3 Perancangan Turbin Aliran Silang... 15

2.3.1 Segitiga Kecepatan... 15

2.3.2 Perhitungan Dimensi Turbin... 16

BAB III. METODE PENELITIAN ... 23

3.1.Diagram Alir Penelitian ... 23

3.2. Bahan Penelitian ... 24

3.3.Peralatan Penelitian... 24

3.4.Tahap Penelitian... 24

(14)

3.4.3.1 Gambar Alat Penguji... 36

3.4.3.2 Cara Kerja Turbin ... 37

3.4.3.2 Langkah Pengambilan Data ... 38

3.4.4 Analisa Data... 39

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN... 40

4.1. Hasil Penelitian ... 40

4.1.1Data Penelitian ... 40

4.2. Perhitungan Data... 42

4.3. Pembahasan Data ... 47

4.3.1 Pembahasan Daya Keluaran Hasil Penelitian... 47

4.3.2 Pembahasan Efisiensi Hasil Penelitian... 52

BAB V PENUTUP ... 55

5.1 Kesimpulan ... 55

5.1 Saran ... 55

DAFTAR PUSTAKA ... 57 LAMPIRAN

(15)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Runner dari Cihanjuang ... 9

Gambar 2.2. Alat pengarah ... 10

Gambar 2.3. Rumah turbin... 11

Gambar 2.4. Alternator ... 12

Gambar 2.5. Aliran pergerakan air pada Turbin Aliran Silang... 14

Gambar 2.6. Defleksi pada pergerakan air Turbin Aliran Silang ... 14

Gambar 2.7. Segitiga kecepatan pada Turbin ... 15

Gambar 2.8. Gabungan segitiga kecepatan pada Turbin Aliran ... 16

Gambar 2.9. Kelengkungan sudu... 17

Gambar 2.10. Jarak antar sudu... 18

Gambar 2.11. Alur pancaran air... 19

Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian ... 23

Gambar 3.2. Sudu yang Sudah Dibelah ... 32

Gambar 3.3. Poros Runner... 33

Gambar 3.4. Piringan Runner ... 33

Gambar 3.5. Plat beralur ... 34

Gambar 3.6. Piringan yang dilas pada poros ... 35

Gambar 3.7. Runner Penelitian ... 35

Gambar 3.8. Alat Penguji... 37

Gambar 4.1. Grafik hubungan daya keluaran total dengan putaran generator pada debit 10,6 l/s serta bukaan nozzle 9 mm ... 47

(16)

Gambar 4.2. Grafik hubungan daya keluaran total dengan putaran generator

pada debit 10,6 l/s serta bukaan nozzle 14 mm ... 47 Gambar 4.3. Grafik hubungan daya keluaran total dengan putaran generator

pada debit 8,3 l/s serta bukaan nozzle 14 mm ... 50 Gambar 4.7. Grafik hubungan effisiensi total dengan putaran generator

pada tinggi nozzle 9 mm ... 53 Gambar 4.8. Grafik hubungan effisiensi total dengan putaran generator

pada tinggi nozzle 14 mm ... 53

(17)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Klasifikasi turbin air ... 8

Tabel 4.1. Data penelitian pada nozzle 9 mm dan debit 10,6 L/s ... 40

Tabel 4.7. Hasil perhitungan pada nozzle 9 mm dan debit 10,6 L/s... 44

(18)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi pada jaman sekarang sangat pesat, salah satu hasilnya adalah teknologi alat pembangkit energi. Salah satu energi utama yang dibutuhkan manusia adalah listrik. Pada umumnya pembangkit listrik tersebut menggunakan bahan bakar fosil, berupa gas bumi, minyak bumi, dan batu bara. Bahan bakar fosil merupakan bahan bakar yang tidak dapat diperbaharui, dan dewasa ini manusia dikhawatirkan dengan adanya krisis energi bahan bakar fosil. Oleh karena itu, manusia dituntut untuk mengembangkan sumber energi alternatif khususnya sebagai penghasil energi listrik. Sumber energi alternatif tersebut dapat memanfaatkan energi yang berasal dari alam, dapat berupa surya, angin, gelombang, panas bumi, dan khususnya air.

Air merupakan salah satu sumber daya alam yang mempunyai massa jenis besar dan jumlahnya tidak terbatas, oleh karena itu air mempunyai potensi besar digunakan sebagai energi alternatif pengganti energi fosil. Pada umumnya selama ini air hanya digunakan untuk minum, mandi, pengairan, serta masih banyak yang lainnya. Dengan memanfaatkan energi air, manusia dapat sedikit mengurangi terjadinya krisis energi. Air juga merupakan sumber energi yang tidak menimbulkan

1

(19)

polusi, sehingga tidak berpotensi merusak lapisan ozon dan tidak mengakibatkan pemanasan global.

Di Indonesia pemanfaatan energi air hampir seluruhnya hanya energi air yang besar saja. Potensi sumber-sumber pembangkit listrik tenaga air yang kecil masih jarang dimanfaatkan. Di lain pihak banyak masyarakat dari daerah terpencil belum bisa menikmati energi listrik distribusi dari pusat, padahal daerah tersebut memiliki potensi energi listrik walaupun hanya kecil. Untuk memanfaatkan potensi tersebut dibutuhkan suatu teknologi terapan agar masyarakat terpencil dapat menyediakan listrik sendiri.

(20)

3

1.2. Perumusan Masalah

Pembuatan sudu turbin crossflow menggunakan pelat yang dilengkung sangat sulit, maka untuk mempermudah pembuatannya digunakan pipa besi yang dibelah dengan sudut busur tertentu. Informasi tentang unjuk kerja turbin crossflow dengan sudu dibuat dari pipa dibelah tidak diketahui. Pada penelitian ini akan dibuat turbin crossflow dengan sudu dari pipa yang dibelah. Turbin dibuat dari pipa berdiameter

1,25 inchi yang dibelah menjadi empat dengan besar busur sudu 600 dan jumlah sudu 20 buah.

Untuk mengetahui unjuk kerja turbin tersebut, dilakukan penelitian dengan variasi debit 10,6 l/s, 9,3 l/s, 8,3 l/s dan tinggi bukaan nozzle 4 mm, 9 mm, 14 mm.

1.3. Tujuan Penelitian

a) Mengetahui daya serta efisiensi turbin dengan busur sudu 60o dan jumlah sudu 20 buah.

b) Membuat sudu turbin crossflow dengan sudu dari pipa yang dibelah agar lebih mudah dibuat oleh masyarakat umum.

1.4. Manfaat Penelitian

Hasil penelitian yang dilakukan penulis diharapkan dapat :

(21)

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.

d. Membangunkan kepedulian masyarakat terhadap upaya konservasi air.

(22)

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 air 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

runnernya 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 didalam 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,

dan lebar 114 mm. Perbandingan diameter dalam dan diameter luar untuk tiap runner

dibuat berbeda. Perbandingan diameter dalam dan diameter luar yang digunakan

(23)

adalah 0,75; 0,67; 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 tertinggi

yang bisa 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).

2.2. Landasan Teori

2.2.1 Pengertian 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

(24)

7

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 lokasi ini menentukan tinggi air jatuh dan kapasitas air. Selain itu

pemilihan turbin juga tergantung dari kecepatan putar yang dibutuhkan oleh

generator.

2.2.2 Jenis-jenis Turbin Air

Terdapat berbagai jenis turbin air yang digunakan untuk penyediaan

kebutuhan energi listrik. Turbin air biasanya dikelompokan berdasarkan kegunaan,

kapasitas dan tinggi air jatuh (Head). Secara umum turbin air dikelompokan menurut

tinggi air jatuh dan prinsip kerja turbin tersebut. Berdasarkan klasifikasi ini turbin air

dibagi menjadi :

a. Turbin Impuls

Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel

tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi

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

kecepatan.

b. Turbin Reaksi

Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya

(25)

gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat berputar.

Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi.

Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah

turbin.

Tabel 2.1. Klasifikasi turbin air (Pemanfaatan tenaga air)

Head tinggi Head sedang Head rendah

Turbin impuls Turbin

Pelton

Turbin Turgo

Turbin Cross-flow

Turbin Pelton

Turbin Turgo

Turbin Cross-flow

Turbin reaksi Turbin Francis Turbin

Kaplan

2.2.3 Turbin Aliran Silang

2.2.3.1 Definisi Turbin Aliran Silang

Turbin aliran silang (cross flow) 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

(26)

9

silinder, pertama-tama air dari luar masuk melalui sudu-sudu silinder dan kemudian

kemudian dari dalam keluar melalui sudu-sudu. Aliran air yang melewati sudu ada

dua tingkatan. Tingkatan pertama, air masuk melalui sudu atas. Daya yang dihasilkan

lebih besar dari tingkat pertama yaitu 80 % dari tingkat kedua. Tingkat kedua, air

keluar melalui sudu bagian bawah. Daya yang dihasilkan kurang lebih 20% dari daya

yang dihasilkan pada tingkat pertama.

2.2.3.2 Bagian-bagian Turbin Aliran Silang

Pada dasarnya turbin aliran silang terdiri dari tiga bagian utama, yaitu:

a. Roda Jalan

Roda jalan (runner) turbin aliran silang terdiri dari beberapa sudu yang dipasang

pada sepasang piringan paralel.

(27)

b. Alat Pengarah

Alat pengarah pada turbin sering disebut dengan nozel. Nozzle pada turbin aliran

silang berbentuk persegi panjang. Ukuran nosel disesuaikan dengan ukuran

runner turbin.

Gambar 2.2. Alat pengarah

c. Rumah Turbin

Rumah turbin digunakan untuk memasang turbin agar dapat berputar. Rumah

turbin dilengkapi dengan bantalan agar poros turbin dapat berputar tanpa adanya

(28)

11

Gambar 2.3. Rumah turbin

Turbin aliran silang dapat digunakan untuk mengerakan generator listrik kecil.

Untuk itu perlu adanya komponen tambahan yang disebut generator. Pada prinsipnya

generator dapat juga disebut sebagai alternator, tetapi biasanya altenator lebih

mengacu pada bentuk yang lebih kecil yang biasa digunakan pada otomotif. Altenator

adalah suatu alat elektromekanikal yang mengkonversi daya mekanis menjadi energi

elektrik. Altenator memiliki 3 bagian yang penting, yaitu :

a. Rotor

Yang dimakud dengan rotor adalah bagian yang berputar yang menjadi satu

dengan poros alternator yang terdapat magnet permanen atau lilitan induksi

magnet. Pada rotor terdapat bagian yang berfungsi sebagai kutub magnet yang

terletak pada sisi luar dari lilitan. Rotor ditumpu oleh dua buah bearing, pada

(29)

b. 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).

c. Dioda

Dioda mengkonversi arus bolak-balik yang dihasilkan oleh pasangan rotor dan

stator menjadi arus searah.

Gambar 2.4. Altenator (Forcefield, 2003)

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

(30)

13

dapat di ukur arus (I) dan tegangan keluaran (V) yang kemudian digunakan untuk

menentukan besarnya daya yang dihasilkan.

2.2.3.3 Pergerakan Air 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 :

V

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 indek 2

(31)

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.

(32)

15

2.3 Perancangan Turbin Aliran Silang

2.3.1 Segitiga Kecepatan

Sudut β

1 ditentukan oleh nilai α1,V1, dan u1.

Gambar 2.7. Segitiga kecepatan pada Turbin (Mockmore, 2004, hal. 8)

2' 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 β 2' = 90

o

(33)

Gambar 2.8. Gabungan segitiga kecepatan pada Turbin Aliran Silang (Mockmore, 2004, hal 11)

2.3.2 Perhitungan Dimensi Turbin

a. Diameter Luar runner (D

1)

D1 = 862H

½

/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 :

(34)

17

C = Koefisien nosel = 0.98

k = Faktor koreksi = 0.087

c. Perbandingan panjang dan diameter turbin

LD1 = 210.6Q/H1/2 (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

(35)

f. Jarak antar sudu (t)

Jarak antar sudu meliputi jarak antar sudu pancaran air masuk (s

1), jarak sudu

pancaran air keluar (s

2) dan jarak antar sudu (t).

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)

(36)

19

h. Jarak pancaran dari poros (y

1)

y1= (0.1986-0.945k) D1 (Mockmore, 2004, hal 14)... 2.13

i. Jarak pancaran dari keliling dalam (y2)

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 u

1 = ½ V1cos α1

maka tan β

1= 2 tan α1

ψ = koefisien empiris yang nilainya sekitar (0,98) (Mockmore, 2004, hal 9)

(37)

k. Nosel

Nozzle pada turbin crossflow berbentuk persegi panjang. Ukuran nozzle

ditentukan dengan :

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) (Mockmore, 2004, hal 15) ... 2.18

m. Perhitungan poros

Parameter-parameter yang digunakan dalam perhitungan poros sebagai berikut ;

1. P = daya yang ditransmisikan (kW)

8. Cb = faktor Cb nilainya 1,2 sampai 2,3. Jika diperkirakan tidak terjadi

(38)

21

9. 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.

10.

n. Perhitungan Daya yang tersedia (P

in)

o. Perhitungan Daya Keluaran (Pout)

Pout = V x I ... 2.24

V = Tegangan (volt)

(39)

p. Perhitungan Torsi Guna Turbin (T)

T =

n p_out 55 ,

9 ... 2.25

n = Putaran

q. Perhitungan Efisiensi Total (η)

η = ×100%

in out

P P

(40)

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1. Diagram Alir Penelitian

START

STUDI PUSTAKA

PERANCANGAN TURBIN ALIRAN SILANG

PEMBUATAN TURBIN ALIRAN SILANG

PENELITIAN TURBIN ALIRAN SILANG

PENGAMBILAN DATA

PENGOLAHAN DATA

SELESAI

Gambar 3.1. Diagram alir penelitian

(41)

3.2. Bahan Penelitian

Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah :

a. Pipa hitam berdiameter 1,25 inch, panjang 1 meter.

b. Plat tebal 15 mm x 100 mm x 100 mm, 2 buah.

c. Besi poros berdiameter 30 mm x 300 mm.

3.3. Peralatan Penelitian

Alat-alat yang digunakan pada penelitian ini sebagai berikut :

a. Alat uji turbin

b. Tachometer

c. Multimeter

d. Peralatan kerja bangku

e. Jangka sorong dan roll meter

f. Mesin bubut, mill, bor

g. Gergaji besi

h. Las asetelin

3.4. Tahap Penelitian

3.4.1 Persiapan

Tahap awal penelitian ini adalah studi pustaka. Bahan-bahan referensi

(42)

25

sumber, dan kebanyakan referensi berasal dari internet. Referensi ini berupa hasil

penelitian dari suatu lembaga maupun perseorangan serta buku-buku acuan.

3.4.2 Pembuatan Alat

3.4.2.1 Desain Alat

Pada tahapan ini, gambar kerja dibuat. Sebelum gambar kerja dibuat, terlebih

dahulu membuat sketsa gambar.

Alat uji turbin digunakan pada pelaksanaan uji prestasi. Penelitian yang akan

dilaksanakan adalah dengan membuat runner dengan ukuran diameter dan panjang

yang sama dengan runner bawaan dari alat uji turbin. Perbedaan dengan runner

bawaan terletak pada jumlah sudu, sudut busur sudu, bahan sudu dan proses

pembuatannya.

Runner bawaan dari alat uji akan dilepas, dan digantikan dengan runner yang

dibuat oleh penulis. Untuk kompenen yang lain seperti rumah turbin, generator,

transmisi sabuk puli, panel-panel listrik serta nozzle akan tetap dipakai pada

penelitian ini.

3.4.2.2 Perancangan Runner

Untuk pembuatan runner, digunakan pipa yang dibelah sebagai sudunya.

(43)

a. Data perancangan

Debit (Q) = 8 L/s

= 0,283 ft³/s

Head (H) = 4,5 m

= 14,764 ft

Koefisien kecepatan nozzle (C) = 0,98

Faktor koreksi nozzle (k) = 0,087

Sudut masuk (α) = 16⁰

Gravitasi (g) = 32,18 ft/s2

Diameter pipa untuk sudu (d1) = 1,25 inch

b. Velocity of jet nozzle (V)

(44)

27

D1= 3,834 inch (pada penelitian ini diameter runner 3,858 inch)

e. Panjang dan diameter runner (LD1)

LD1= ₁_/₂

f. Panjang runner (L)

L =

= 4,038 inch (pada penelitian ini panjang runner 4,095 inch)

g. Kecepatan putar runner (N)

(45)

(46)

29

= 0,671 inch (pada penelitian ini jarak sudu pada runner 0,604 inch)

j. Jumlah sudu (n)

= 18 buah (pada penelitian ini jumlah sudu 20 buah)

k. Radial rim width (a)

a = 0,17 x D1

= 0,17 x 3,843

= 0,625 inch (pada penelitian ini radial rim width 0,567 inch)

l. Diameter dalam runner (D2)

D2 = D1 – 2(a)

= 3,834 – 2(0,652)

= 2,531 inch (pada penelitian ini diameter dalam runner 2,724 inch)

(47)

(48)

31

= 13,5 mm (pada penelitian ini diameter poros 25 mm)

r. Geometri turbin

(49)

3.4.2.3 Pembuatan Runner

Setelah perancangan selesai, dilanjutkan dengan pembuatan runner. Langkah

pertama adalah pembuatan sudu. Pipa hitam dipotong dengan panjang 104 mm,

kemudian dibelah dengan sudut 60o sebanyak 20 buah. Pembelahan dapat dilakukan

dengan mesin sekrap atau gergaji.

Gambar 3.2. Sudu yang Sudah Dibelah

Pembuatan alat dilanjutkan dengan pembuatan poros. Poros dibentuk

menggunakan mesin bubut, dengan ukuran yang telah ditetapkan yaitu berdiameter

(50)

33

Gambar 3.3. Poros Runner

Langkah selanjutnya adalah membuat piringan runner, sebanyak 2 buah.

Piringan tersebut berfungsi sebagai menempelnya sudu-sudu runner. Piringan

dibentuk dengan mesin bubut juga dengan ukuran diameter 98 mm dan tebal 5 mm.

(51)

Selain membuat piringan runner, penulis juga membuat plat yang mempunyai

alur sudu, yaitu berjumlah 20 buah dan membentuk busur sudu 60o. Plat ini berfungsi

untuk memudahkan dalam pengelasan dan menjaga saat pengelasan sudu tetap lurus.

Plat ini dibuat dengan menggunakan mesin CNC dan mempunyai ukuran sama

dengan piringan runner. Plat tersebut berjumlah 2 buah.

Gambar 3.5. Plat beralur

Setelah semua selesai dibentuk, 1 piringan dilas pada poros. Sudu-sudu dari

pipa dilas pada plat alur, kemudian dilas pada poros dan piringan tersebut. Piringan

(52)

35

Gambar 3.6. Piringan yang dilas pada poros

Setelah semua telah dilas menjadi bentuk runner, dengan mesin bubut

dilakukan pengerjaan akhir. Dengan menggunakan mesin bubut jugas, dilakukan

balancing geometri pada runner tersebut.

Gambar 3.7. Runner Penelitian

3.4.3 Uji Prestasi

Runner kemudian dipasangkan pada alat uji turbin. Setelah selesai dipasang

ke rumah turbin kemudian poros dipasang kopling transmisi sabuk dan puli.

(53)

Pada tahap ini dilakukan pengambilan data untuk mengetahui unjuk kerja

turbin tersebut. Dalam penelitian ini ada beberapa variable yang di variasikan dan

variable yang dihitung, antara lain :

1. Variabel yang divariasikan :

a. Debit air : 10,6 L/s, 9,3 L/s, 8,3 L/s

b. Beban generator : 10 watt, 15 watt, 25 watt, 40 watt, 60 watt, 100 watt

c. Lebar nozzle : 4 mm, 9 mm, 14 mm

2. Varibel yang diukur :

a. Tekanan air

b. Tegangan yang dihasilkan generator

c. Arus yang dihasilkan generator

d. Putaran generator

(54)

37

Gambar 3.8. Alat penguji

3.4.3.2Cara Kerja Turbin

Turbin aliaran 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 berkapisitas 10 L/s dan head 22 m. pompa yang

(55)

Turbin aliran silang yang digunakan dalam penelitian menggunakan sistem

aliran tertutup. Air yang melewati turbin akan digunakan kembali dalam proses

selanjutnya. Pompa akan megalirkan air yang ditampung pada sebuah bak dengan

kapasitas 240 liter. Air akan dipompa menuju ke nozzle melalui pipa penstock

berdiameter 2 inchi. Untuk mengatur debit dipasang dua buah kran pada sisi buang

dan sisi masuk nozzle. Sedangkan untuk mengatur nozzle menggunakan control yang

terdapat pada rumah turbin.

Air yang masuk ke nozzle akan menyembur mengenai sudu-sudu turbin. Air

akan memutar turbin dan akan kembali dalam bak penampungan. Turbin yang

berputar akan menggerakan pulley turbin dan selanjutnya akan menggerakan pulley

generator dan memutar generator. Generator yang berputar akan menyebabkan

terjadinya perbedaan medan magnet sehingga menghasilkan listrik. Arus listrik akan

disalurkan menuju PHB (Panel hubung Bagi). Dari PHB arus akan dialirkan menuju

beban. Beban akan bekerja jika tegangan yang dihasilkan mencukupi.

3.4.3.3Langkah Pengambilan Data

a. Pasang runner pada alat uji

b. Isi bak penampungan air

c. Atur nozzle pada bukaan pertama yaitu 4 mm, dengan cara memutar lengan

pengatur di samping atas rumah turbin.

(56)

39

e. Atur debit air pada bukaan penuh yaitu 10,6 L/s, dengan mengatur kran pada

pipa buangan.

f. Ukur dan catat tekanan air

g. Ukur tegangan, arus dan putaran yang dihasilkan generator saat beban 10

watt.

h. Ulangi langkah e-g untuk beban : 15 watt, 25 watt, 40 watt, 60 watt, 100 watt.

i. Ulangi langkah e-h untuk debit : 9,3 L/s dan 8,3 L/s.

j. Ulangi langkah c-I untik bukaan nozzle : 9 mm dan 14 mm.

k. Setelah semua selesai, matikan pompa 1 dan pompa 2.

3.4.4 Analisa Data

a. Hitung potensi daya air dengan persamaan 2.23 untuk setiap variasi debit.

b. Hitung daya yang dihasilkan generator dengan persamaan 2.24 untuk setiap

variasi debit, bukaan nozzle dan beban generator.

c. Hitung efisiensi total dengan persamaan 2.26 untuk setiap variasi debit,

bukaan nozzle dan beban generator.

d. Analisis dilakukan dengan membuat grafik hubungan antara daya yang

dihasilkan generator dengan putaran generator dan putaran generator dengan

(57)

4.1 Hasil Penelitian

Data diambil dari runner yang dibuat sendiri dengan jumlah sudu 20 buah dan

busur sudu 60o. Data yang diperoleh dari sarana penelitian adalah variasi tinggi

bukaan nozzle dan debit.

4.1.1 Data Penelitian

Data yang diperoleh dari penelitian dengan variasi debit dan bukaan nozzle

sebagai berikut :

1. Data dengan tinggi bukaan nozzle 4 mm

Pada tinggi bukaan nozzle 4 mm, tidak didapatkan data dari setiap

variasi debit.

(58)

41

Tabel 4.2. Data penelitian pada nozzle 9 mm dan debit 9,3 L/s Tekanan = 8,2 psi

Tabel 4.3. Data penelitian pada nozzle 9 mm dan debit 8,3 L/s Tekanan = 7 psi

(59)

Tabel 4.5. Data penelitian pada nozzle 14 mm dan debit 9,3 L/s

Tabel 4.6. Data penelitian pada nozzle 14 mm dan debit 8,3 L/s Tekanan = 4 psi

4.2Perhitungan Data

Berdasarkan data hasil penelitian, maka pengolahan data yang dapat dilakukan

sebagai berikut :

1. Perhitungan data tinggi bukaan nozzle 9 mm

Contoh perhitungan untuk debit 10 L/s, tinggi bukaan nozzle 9 mm dengan

beban 10 watt.

a. Daya yang tersedia (Pin)

(60)

43

Tegangan terukur (V) = 165 Volt

Daya total (Pout) = V x I

= 165 x 0,12

= 19,8 Watt

c. Perhitungan effisiensi total

Effisiensi total (η) = ×100%

(61)

Tabel 4.7. Hasil perhitungan pada nozzle 9 mm dan debit 10,6 L/s

Arus Pout Pin Effisiensi Total

2. Perhitungan data tinggi bukaan nozzle 14 mm

Contoh perhitungan untuk debit 10 L/s, tinggi bukaan nozzle 14 mm

(62)

45

Tegangan terukur (V) = 165 Volt

Daya total (Pout) = V x I

= 170 x 0,12

= 20,4 Watt

c. Perhitungan effisiensi total

(63)

= 5,366 %

Hasil perhitungan untuk beban yang lain dituliskan dalam tabel berikut:

(64)

47

4.3. Pembahasan Data

4.3.1Pembahasan Daya Keluaran Hasil Penelitian

a.Debit 10,6 l/s

Gambar 4.1. Grafik hubungan daya keluaran total dengan putaran generator pada debit 10,6 l/s serta tinggi nozzle 9 mm

(65)

Pada penelitian dengan variasi debit 10,6 l/s, daya keluaran total

paling tinggi yang dihasilkan bukaan nozzle 9 mm terjadi pada putaran

800,2 rpm dan beban 40 watt yaitu sebesar 36,40 watt. Untuk bukaan nozzle

14 mm daya keluaran total tertinggi terjadi pada putaran 808,9 rpm dan

beban 60 watt yaitu sebesar 34,32 watt.

b. Debit 9,3 l/s

(66)

49

(67)

(68)

51

Pembahasan untuk daya keluaran total

Penelitian pada tinggi bukaan nozzle 4 mm tidak dapat mengambil data

tegangan dan arus untuk semua variasi debit. Hal ini disebabkan tegangan yang

dihasilkan lebih kecil dibanding tegangan yang dibutuhkan PHB untu bekerja,

sehingga daya keluaran tidak dapat dihitung.

Penelitian pada semua variasi bukaan nozzle, daya keluaran paling tinggi

dihasilkan pada bukaan tinggi nozzle 9 mm yaitu 36,40 watt pada putaran 800,2 rpm,

beban 40 watt dan debit 10,6 l/s, sedangkan untuk tinggi bukaan nozzle 14 mm daya

yang dihasilkan sebesar 34,32 watt pada putaran 808,9 rpm, beban 60 watt dan debit

10,6 l/s. Beban pada generator berupa lampu berfungsi hanya untuk mencari daya

maksimum yang dihasilkan turbin.

Hal ini dikarenakan semakin kecil sudut nosel maka daya yang dihasilkan

(69)

dengan baik mempunyai batas. Pada penelitian ini, batas terkecil dari sudut nosel

yaitu pada ketinggian 4 mm.

Semakin besar putaran poros, maka daya yang terjadi akan makin kecil. Hal

ini disebabkan arus yang dihasilkan semakin besar dan terjadi penurunan tegangan

karena bertambahnya beban. Setelah tercapai daya maksimum maka daya akan turun.

Kenaikan dan penurunan daya seperti dasar teori (Mock More, hal 20).

Debit air yang dipakai dalam penelitian ini tidak memenuhi kriteria daerah

penggunaan yang baik turbin crossflow ini. Debit yang baik adalah 0,02 m3/detik

sampai 7 m3/detik (Fritz Dietzel, 1996, hal 38), sedangkan yang dipakai dalam

penelitian debit maksimum hanya 0,0106 m3/detik.

4.3.2Pembahasan Efisiensi Hasil Penelitian

(70)

53

Gambar 4.7. Grafik hubungan effisiensi total dengan putaran generator pada tinggi nozzle 9 mm

b. Tinggi nozzle 14 mm

(71)

Penelitian pada variasi tinggi bukaan nozzle 9 mm dan 14 mm, effisiensi total

paling tinggi dihasilkan pada bukaan tinggi nozzle 14 mm yaitu 9,03% pada putaran

808,9 rpm dan debit 10,6 l/s, sedangkan untuk tinggi bukaan nozzle 9 mm daya yang

dihasilkan sebesar 5,53% pada putaran 800,2 rpm dan debit 10,6 l/s.

Pada penelitian ini daya keluaran total tertinggi dihasilkan pada bukaan nozzle

9 mm sedangkan effisiensi total tertinggi dihasilkan pada bukaan nozzle 14 mm.

Seharusnya effisiensi total tertinggi terjadi pada saat daya keluaran total tertinggi

juga. Hal ini disebabkan dalam perhitungan besar daya pompa, debit yang digunakan

kurang akurat. Debit yang seharusnya digunakan lebih kecil, karena semakin tinggi

head maka debit pompa akan semakin kecil. Sehingga dalam perhitungan effisiensi

terjadi penurunan. Untuk mengatasi masalah ini seharusnya dalam pengukuran debit

digunakan alat yaitu flowmeter.

Efisiensi yang terjadi pada turbin memiliki batas maksimum. Setelah tercapai

effisiensi maksimum maka effisiensi akan turun. Kenaikan dan penurunan efisiensi

(72)

BAB V

PENUTUP

5.1. Kesimpulan

Dari hasil pengambilan data penelitian turbin aliran silang dengan variasi debit, tinggi bukaan nozzle dan beban, maka dapat disimpulkan :

1. Turbin aliran silang dengan busur sudu 60o dan jumlah sudu 20 buah, menghasilkan daya paling tinggi sebesar 36,40 watt. Daya paling besar terjadi pada saat debit sebesar 10,6 L/s dan bukaan tinggi nozzle 9 mm.

2. Turbin aliran silang dengan busur sudu 60o dan jumlah sudu 20 buah, menghasilkan efisiensi paling tinggi 9,03%. Efisiensi paling tinggi terjadi pada saat debit sebesar 10,6 L/s dan bukaan tinggi nozzle 14 mm.

3. Turbin penelitian dengan busur sudu 60o dan jumlah sudu 20 buah untuk saat ini belum bisa diterapkan dalam masyarakat. Hal ini disebabkan karena daya keluaran total dan efisiensi total masih kecil.

5.2. Saran

Beberapa saran yang penting untuk penelitian pada bidang sejenis dengan penelitian ini atau yang ingin mengembangkan penelitian ini:

1. Runner hendaknya dibuat sangat rapi dan presisi agar dalam berputar runner bisa stabil.

(73)

2. Konstruksi alat uji turbin sebaiknya dibuat efektif, yaitu dengan cara dikurangi belokan pipa saluran agar tidak terjadi rugi-rugi yang besar.

3. Dalam melakukan pengerjaan akhir dan menyeimbangkan runner harus sangat hati-hati.

4. Untuk menghindari gesekan yang besar, dalam pembuatan rumah turbin atau runner dibuat sangat hati-hati. Ukuran-ukuran harus benar-benar tepat.

(74)

DAFTAR PUSTAKA

Dietzel, Fritz , 1996, Turbin Pompa dan Kompresor, cetakan ke-5, Penerbit Erlangga, Jakarta

Joshi, C. B., Seshadri, V., Singh, S. N., Parametric Study on Performance of Cross-Flow , Journal of Energy Engineering, Vol. 121, No. 1, April 1995, pp. 28-45

Khosrowpanah, S, Fiuzat, A. A., Albertson, M., L., Experimental Study of Cross-Flow Turbine, Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 114, No. 3, March 1988,

pp. 299-314

Mockmore, CA., 1949, The Banki Water Turbine, Oregon 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

(75)

(76)

Lampiran 1