Keunggulan Turbin Vortex

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.7 Turbin Vortex

2.7.3 Keunggulan Turbin Vortex

1. Baik dikembangkan pada daerah yang memiliki sumber air dengan debit yang cukup besar namun hanya memiliki head yang rendah.

2. Tidak memerlukan sistem kontrol yang sangat rumit seperti turbin lainnya.

3. Tekanan air yang terjadi tidak merusak ekologi, dalam hal ini dampak terhadap kehidupan air (ikan) dan microorganisme lainya tetap terjaga.

4. Tidak membutuhkan draft tube, sehingga dapat mengurangi pengeluaran untuk penggalian pemasangan draft tube.

5. Memiliki efisiensi yang tinggi, dengan variasi debit yang besar dan sangat baik untuk debit air yang kecil.

6. Tidak memerlukan jaring- jaring halus sebagai pencegah masuknya puing-puing kedalam turbin, sehingga dapat mengurangi biaya perawatan.

2.7.4 Pengembangan turbin vortek di Air Sungai

Pengembangan sungai kita dipengaruhi oleh peradaban modern abad ke-20 . Di daerah padat penduduk sebagian besar sungai diatur dengan rapi. Di masa lalu sungai berliku-liku alami . Hari ini sungai lurus dan diatur . Sungai-sungai diatur lebih dalam ke tanah dan pada musim kemarau juga air tanah masuk ke sungai . Dalam hal regulasi mengukur megurangi kapasitas asimilatif alami sungai . Aerasi dan biodegradasi daerah banyak dari sungai alam hilang .

Gambar 2.9 Gravitation Water Vortex Power Plants (GWVPPs)

Sumber :

Dengan turbin vortex yang proses pemurnian air alami juga dapat diaktifkan dalam sungai diatur. Dalam jarak didefinisikan pada turbin sungai dapat ditempatkan untuk menganginkan air. Semakin banyak tanaman air menghasilkan area biodegradasi , yang mengurangi zat berbahaya dalam air sungai. Jadi turbin vortex ekologis lumayan menghasilkan listrik, tanaman air, mikroba dan ikan.

Sebaliknya pembangkit listrik tenaga air konvensional tidak memiliki efek positif terhadap sungai. Karena tingkat tekanan air besar melewati turbin tidak ada makhluk air bisa bertahan, tapi turbin vortex adalah sistem hidrolik terbuka tanpa tingkat tekanan air yang tinggi. Gravitasi Vortex Air ( GWV ) dengan tabung udara di tengah memungkinkan bahwa banyak udara dapat diserap oleh air. Turbin vortex adalah modus dasar air mengalir dan menunjukkan proses aerasi alami air di sungai .

Untuk alasan ini kualitas ekologi positif tenaga air dengan turbin vortex benar- benar berbeda dengan pembangkit listrik tenaga air tradisional, yang menghancurkan kehidupan di sungai, karena perbedaan besar tingkat tekanan air di sekitar turbin hidro konvensional .

Pengetahuan ini menunjukkan kepada kita, bahwa sungai-sungai diatur dan pembangkit listrik tenaga air tradisional bertanggung jawab untuk degenerasi mikroba

dan ikan - ikan di sungai kita, karena itu turbin vortex merupakan modul penting di dunia modern kita .

2.7.5 Pengaruh Turbin Vortex pada lingkungan

Turbin air mempunyai pengaruh positif dan negatif bagi lingkungan.

Adapun pengaruh positif yaitu :

1. Turbin adalah salah satu penghasil tenaga terbersih, menggantikan pembakaran bahan bakar fosil dan menghapuskan limbah nuklir.

2. Turbin menggunakan energi yang dapat diperbarui dan didesain untuk beroperasi dalam jangka waktu puluhan tahun.

3. Turbin memproduksi sumber energi listrik dunia dengan jumlah yang besar.

Adapun pengaruh negatif dari pembangunan turbin adalah : putaran sudu atau gerbang pengarah dari turbin air dapat mengganggu ekologi natural sungai, membunuh ikan, menghentikan migrasi dan menggangu mata pencaharian manusia.

Contohnya: suku Indian Amerika di Northwest Pasific mempunyai mata pencaharian memancing ikan salmon, tapi pembangunan secara agresif menghancurkan jalan hidupnya.

Berbeda dengan turbin vortex (pusaran air), bukan saja didorong oleh teknologi sederhana dan dapat diandalkan. Turbin vortex adalah teknologi bersih karena fakta bahwa 97% dari produk listrik bebas CO2, dan turbin vortex juga baik bagi lingkungan air. Kontruksi turbin vortex mengembalikan badan air (misalnya sungai) dimana turbin dibangun dan kecepatan aliran maksimum 1,5-1,8 m/s, maka turbin tidak menimbulkan ancaman bagi populasi ikan. Karena ikan mampu melawati hilir rotor dan hulu (lihat gambar 2.8) . Keuntungan selanjutnya adalah efesiensi pembersih peningkatan mikro-organisme alami berkat kadar oksigen yang lebih tinggi dihasilkan dari aerasi rutin air.

Gambar 2.10 Gravitasi Air Pembangkit Listrik Pusaran Sebagai Bio-reaktor

Sumber :

2.8 Aliran vortex

vortex adalah massa fluida yang partikel-partikelnya bergerak berputar dengan garis arus (streamline) membentuk lingkaran konsentris. Gerakan vortex berputar disebabkan oleh adanya perbedaan kecepatan antara lapisan fluida yang berdekatan. Dapat diartikan juga sebagai gerak alamiah fluida yang diakibatkan oleh parameter kecepatan dan tekanan. Vortex sebagai pusaran yang merupakan efek dari putaran rotasional dimana viskositas berpengaruh didalamnya.

Gambar 2.11 Aliran Vortex

www.fhnw.ch/technik

Pergerakan aliran fluida dapat dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu:

1. Translasi murni atau translasi irrotasional 2. Rotasi murni atau translasi rotasional

3. Distorsi atau deformasi murni, baik angular ataupun linier

Aliran irrotasional terjadi apabila elemen fluida di setiap titik tidak mempunyai kecepatan sudut netto terhadap titik tersebut. Sebaliknya aliran rotasional terjadi apabila elemen fluida mempunyai kecepatan sudut netto. Gerak vortex dapat dikategorikan sebagai dalam aliran rotasional. Vortex digambarkan sebagai aliran yang bergerak dan berputar terhadap sumbu vertical sehingga terjadi perbedaan tekanan antara bagian sumbu dan sekelilingnya

Berdasarkan klasifikasi aliran berputar yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari maka aliran vortex dapat dibedakan menjadi tiga bagian, yaitu :

2.8.1 Aliran vortex Bebas

Aliran vortex terjadi walaupun tidak adanya gaya yang dilakukan pada fluida tersebut. Karateristik dari vortex bebas adalah kecepatan tangensial dari partikel fluida yang berputar pada jarak tertentu dari pusatvortex. Hubungan kecepatan partikel fluida v terhadap jaraknya dari pusat putaran r dapat dilihat pada persamaan ini:

� = � 2��

Dimana:

V = kecepatan tangensial fluida (m s^-1)

r = jari-jari putaran partikel fluida dari titik pusat (m)

� = sirkulasi

2.8.2 Aliran Vortex Paksa

Apabila suatu gaya diberikan pada suatu fluida dengan maksud membuat aliran fluida berputar. Hubungan kecepatan partikel fluida v terhadap jaraknya dari pusat putaran r dapat dilihat pada persamaanberikut:

� =�.� Dimana:

� = kecepatan sudut r = jari-jari putaran (m)

2.8.3 Aliran Vortex Kombinasi

Aliran Vortex Kombinasi adalah vortex dengan vortex paksa pada inti pusatnya dan distribusi kecepatan yang sesuai dengan vortex bebas pada luar intinya. Jadi untuk sebuah votex kombinasi dapat dilihat pada persamaan berikut:

V_θ = ωr r ≤ r0

V_θ = ^�

� r < r0

Dimana :

K dan � = konstanta r_o = jari-jari inti pusat

Sebuah konsep matematika yang biasanya berhubungan dengan gerakan vortex adalah sirkulasi. Sirkulasi didefenisikan sebagai sebuah integral garis dari komponen tangensial kecepatan yang diambil dari sekeliling kurva tertutup di medan aliran. Konsep sirkulasi sering digunakan untuk mengevaluasi gaya-gaya pada terbentuk pada benda-benda yang terendam dalam fluida yang bergerak.

Gambar 2.12 Tipe-tipe Vortex

Sumber

Tipe vortex 1 merupakan awal aliran air berputar di permukaan. Tipe 2 putaran air mulai menunjukkan adanya cekungan kedalam di bagian tengah pusaran. Tipe 3 pusaran air mulai membentuk kolom udara (vortex) yang bergerak menuju oulet. Tipe 4 kekuatan vortex mampu menarik material apung masuk ke dalam pusaran. Tipe 5 adalah vortex dimana gelembung-gelembung udara pecah di ujung pusat pusaran yang masuk konstruksi silinder.

Tipe 6 vortex dengan lubang udara penuh menuju outlet.

2.9 Penampang Air

Penampang merupakan saluran yang digunakan mengalirkan air dari reservoar atas menuju turbin. Panjang Penampang air adalah :

L_total = L₁ + L₂ + L₃

2.10 Lubang masuk (Inlet area)

Ada beberapa tipe dari lubang masuk (Inlet area), yaitu : lubang masuk tipe involute, lubang masuk tipe ramp dan lubang masuk tipe scroll. Berbagai tipe tersebut dimaksudkan untuk lebih memaksimalkan kinerja dari turbin. Dengan konstruksi lubang masuk dengan tipe

involute, lubang masuk tipe ramp dan lubang masuk tipe scroll dapat mengurangi efek dari turbulensi yang terjadi disekitar dinding lubang masuk dan daerah antara lubang masuk.

Gambar 2.13 Beberapa tipe dari lubang masuk (Inlet area)

Sumber

2.11 Pipa Lepas

Pipa lepas adalah saluran penghubung antara sisi keluar turbin dengan muka air bawah. Umumnya pipa lepas satu meter dimuka air bawah. Dengan demikian head antara air keluar roda jalan dan muka air bawah dapat dimanfaatkan. Fungsi utama pipa lepas adalah :

1. Memanfaatkan tinggi air jatuh antara sisi keluar turbin dengan muka air bawah. Air yang jatuh bebas dari sisi keluar turbin menimbulkan kehampaan dalam pipa lepas.

Kehampaan ini terjadi akibat kecepatan air yang keluar dari roda turbin sangat tinggi sehingga terjadi tarikan air setinggi jarak antara sisi keluar turbin dan muka air bawah, ini berlaku untuk rumah turbin yang beradah lebih tinggi dari muka air bawah

2. Mengurangi kerugian energi kinetik. Umumnya kecaepatan air keluar roda jalan masih dalam kecepatan tinggi. Dengan menggunakan pipa lepas yang mempumyai penampangan yang semakin besar kearah keluar, maka kecepatan air dapat diperkecil sehingga energi kinetik dapat dikurangi. Dengan menggunakan pipa lepas ini effisiensi turbin dapat bertambah.

3. Turbin dapat dipasang diatas muka air bawah sehingga turbin dapat diperiksa dan dikontrol.

2.12 Kavitasi

Kavitasi adalah suatu peristiwa terjadinya gelembung-gelembung uap didalam cairan (air) yang mengalir apabila tekanan di tempat tersebut sama dengan tekanan uapnya.

Gelembung tersebut akan terbawa arus. apabila gelembung tersebut kemudian sampai disuatu daerah dimana tekanannya melebihi tekanan uapnya, maka gelembung tersebut akan pecah dengan tiba-tiba. Pecahnya gelembung-gelembung tersebut bukan saja menimbulkan bunyi berisik dan getaran, tetapi dapat menyebabkan lubang- lubang kikisan pada permukaan atau bagian turbin, misalnya pada permukaan sudu- sudu, rumah turbin dan dinding bagian atas isap, kavitasi yang berlebihan dapat pula mengurangi daya dan efisiensi turbin yang bersangkutan, oleh karena itu diusahakan agar tidak terjadi kavitasi.kavitasi dapat dicegah atau dikurangi dengan jalan antara lain :

1. Memperkecil jarak vertikal antara roda turbin dan permukaan air bawah (memperkecil tinggi isap), dalam hal ini diusahakan tekanan air tidak lebih rendah dari tekanan uapnya.

2. Memperkecil konstruksi dan mengusahakan agar tidak terdapat belokan-belokan atau bentuk-bentuk yang tajam

3. Menggunakan material yang kuat terutama untuk bagian-bagian di mana diperkirakan dapat terjadi kavitasi.

BAB III

METODELOGI PENELITIAN

3.1 Umum

Turbin pusaran air (vortex) merupakan turbin yang memanfaatkan pusaran air sebagai media perantara energi terhadap sumbu vertikal sehingga terjadi perbedaan tekanan antara bagian sumbu dan sekelilingnya. Turbin pusaran air (vortex) ini dioperasikan pada daerah yang memiliki head yang rendah dan memanfaatkan pusaran gravitasi air sehingga akan menimbulkan perbedaan tekanan air dengan bagian sumbu.

Turbin pusaran air (vortex) merupakan salah satu turbin yang sangat spesial, karena dapat beroperasi pada daerah yang memiliki head yang sangat rendah. Turbin pusaran air (vortex) bekerja pada head rendah dengan ketinggian air jatuh antara 0,7 m– 1,4 m. Sebagai simulasi atau pengkondisian dari air mengalir yang berada di alam.

Dalam analisa perancangan turbin vortex dibuat turbin vortex, adapun beberapa analisa yang dilakukan adalah:

 Perancangan sudu dari bahan seng.

 Perancangan poros dari bahan besi S45 C-D.

 Perancangan rumah turbin (casing) dari baha akrilik.

 Perancangan saluran buang dari akrilik

Aliran air yang digunakan berasal dari tempat penampungan bawah yang terletak di bawah bak kemudian dipompakan ke talang oleh satu unit pompa pengumpan. Kapasitas aliran (debit) air yang akan diumpankan dapat diatur melalui sebuah katup pengatur (gate valve) sesuai dengan kebutuhan. Aliran air yang mengalir melalui talang memiliki energi potensial sehingga akan membentuk pusaran yang akan menggerakkan sudu turbin vortex sebagai energi input. Zat cair yang keluar setelah menabrak sudu akan keluar tepat dibawah turbin vortex melalui saluran buangan dari rumah turbin (casing).

3.2 Prosedur Penelitian

a

Gambar 3.1 : Diagram Alir Proses Pengerjaan Skripsi Studi Literatur

Mulai

Analisa Perancangan

Pembuatan Gambar Teknik

Perlu Perbaikan Ya

Analisa Perancangan

Tidak

Selesai

3.3 Penentuan Kecepatan Aliran Air Pada Penamapang.

Fluida mengalir dengan kecepatan tertentu, penampang aliran air seperti gambar 3.2.

Maka yang dimaksud dengan debit fluida adalah volum fluida yang mengalir persatuan waktu melalui suatu penampang dengan luas penampang A dan dengan kecepatan v.

L1= 2 m

y A = b . y

b

Gambar 3.2 Instalansi Penampang Dimana :

L1 = Penampang aliran air direncanakan ( 2 m) b = Lebar penampang air direncanakan ( 0.12 m²) y = Tinggi air direncanakan ( 0.03 m)

Luas penampang : A = b . y

= 0.12 . 0.03 = 0.0036 m² Kecepatan aliran air pada penampang :

V = ^Q

A

...(lit 17) Dimana :

Q = Debir aliran air direncanakan ( 0,0052 m³/s)

Penampang Turbin

Vortex

A = Luas Penampang direncanakan (0,0036 m) V = ^Q

A

^{= 0,0052}

0.0036 = 1,44 m/s

Maka dalam perancangan ini didapat kecepatan air pada penampang 1.44 m/s.

3.4 Analisa Segitiga Kecepatan

Kecepatan air yang mengalir melalui sudu runner dan kecepatan tangensial akibat perputaran runner akan membentuk hubungan segitiga kecepatan, hubungan segitiga kecepatan ini dapat terjadi pada sisi masuk dan sisi keluar runner. Penggunaaan segitiga kecepatan pada kontruksi runner dapat dilihat pada gambar 3.3 berikut ini :

Gambar 3.3 Segitiga Kecepatan Pada Kontruksi Roda jalan

Keterangan gambar :

U = Kecepatan sekeliling roda jalan V = Kecepatan absolud fluida

V_w = Kecepatan air memutar roda jalan V_r = Kecepatan relatif fluida

V_f = Kecepatan aliran

α = Sudut yang dibuat oleh kecepatan absolud dengan kecepatan tangensial θ = sudut yang terbentuk oleh kecepatan relatif dengan kecepatann tangensial

V2, Vw2, Vr2, Vf2,β dan ϕ = Nilai- nilai yang sesuai pada sisi keluar.

- Kecepatan segitiga pada inlet akan menjadi garis lurus di mana : V_r1 = V₁ – U₁ = V₁ – U

V_w1 = V₁ α = 0 dan θ = 0

- Dari segitiga kecepatan pada outlet, dimana : Vr2 = KVr1

Dimana, K = sudu gesekan co-efisien, sedikit kurang dari satu. Idealy ketika permukaan casing yang sangat halus dan kerugian energi akibat dampak di splitter diabaikan, k = 1

Kekuatan yang diberikan oleh air dalam arah gerakan diberikan sebagai

F = ρaV1(Vw1 + Vw2) ...(lit 1 hal 1058) [ρ dan a adalah Kepadatan massa dan area (a = ^�

4 d²) respecitively]

Energi yang masuk pada inlet adalah dalam bentuk energi kinetik : ¹ 2mV1

Energi kinetik (E.K) dari penampang per kedua = ¹

2(ρaV1)V₁ Efisiensi hidrolik,ɳh =^{�����������������}

�.�.���������

=

^���₁^{1(��1+��2)�}

2 (���₁)�₁²

=

^{2(��1+��2)�}

�₁²

Dari inlet dan outlet segitiga kecepatan : Vw1 = V1

Vr1 = V1 – u1 = V1 – u

Vw2 = Vr2 cos ϕ – u2 = Vr2 cos ϕ – u = KVr1 cos ϕ – u = K(V1 – u) cos ϕ – u Substitusikan nilai-nilai Vw1 and Vw2 :

ɳh = ^{2[�1+�(�−�)cos ϕ−�]�}

�₁²

=

^{2[(�1−�)(1+� cos ϕ)�]}

�₁²

Efisiensi hidrolik akan maksimum untuk memberikan nilai V₁:

�

�� (ɳh) = 0

�

��

�

^{2(�1−�)(}_�^{1+cos ϕ)u}

12

�

^{= 0}

2(1+� cos ϕ)

�₁² x ^�

�� (V₁u – u²) = 0 2(1+� cos ϕ)

�₁² ≠0 , ^�

�� (V1u – u²) = 0 V1 – 2u = 0 or u = ^�1

2

3.4.1 Analisa Segitiga Kecepatan Pada Sisi Masuk

 Kecepatan absolud pada sisi masuk (V₁) V₁ = ^�

�

V₁ = ^0,0052

0,0036= 1,44 m/s

 Kecepatan sekeliling roda jalan pada sisi masuk (U₁) U₁ = ^�1

2 = 0,72

 Kecepatan relatif pada sisi masuk (V_r1) V_r1 = V₁ – U

= 1,44 – 0,72 = 0,72 m/s

 Kecepatan air memutar roda jalan (V_w1) V_w1 = V₁ = 1,44 m/s

Karena air bergerak dalam arah yang sama seperti di baling-baling, Oleh karena itu segitiga kecepatan pada sisi masuk akan menjadi garis lurus, seperti pada gambar 3.4.

3.4.2 Analisa Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar

Karena sudu licin, sehingga analisa segitiga pada sisi keluar :

 Kecepatan relatif pada sisi keluar (Vr2) Vr2 = Vr1 = 0,72 m/s

 Kecepatan sekeliling roda pada sisi keluar (V2) U2 = U1 = 0,72

 Kecepatan air memutar roda pada sisi keluar (Vw2) Vw2 = Vr2 cos ϕ – u

= 0,72 cos 60 – 0,72 = - 0,36 m/s

 Kecepatan air keluar (Vf2) Vf2 = V2 sin ϕ

= 1,44 . sin 60

= 1,25 m/s

Dari hasil perhitungan diatas maka dapat digambar segitiga kecepatan pada sisi keluar roda jalan seperti pada gambar 3.4.

Gambar 3.4 Segitiga kecepatan pada sisi masuk dan sisi keluar.

3.5 Perhitungan Komponen – komponen Utama Turbin 3.5.1 Roda Jalan (Runner)

Runner adalah salah satu komponen utama turbin yang berperan penting dalam menghasilkan daya debit jatuh yang bekerja padanya. Dimana runner berfungsi sebagai

penerima kerja dari fluida dan selanjudnya energi yang dikandung fluida dikonversikan pada poros.

D₁ D₂

L

Gambar 3.5 Roda Jalan

Keterangan gambar :

D1 = Diameter luar roda jalan D2 = Diameter dalam roda jalan L = Jarak antara roda jalan

3.5.2 Ukuran – Ukuran Utama Sudu Roda Jalan

Ukuran – ukuran utama sudu roda jalan yang akan dihitung terdiri dari beberapa bagian yaitu:

3.5.2.1 Diameter Sudu Roda Jalan Pada Sisi Masuk

Diameter sudu roda jalan sisi masuk (D1) dan diameter roda jalan sisi keluar (D2) direncanakan adalah :

 Perancangan I : D1 = 0,60 m D2 = 0,18 m

 Perancangan II : D₁ = 0,46 m D₂ = 0,12 m

 Perancangan III : D₁ = 0,32 m D₂ = 0,08 m

3.5.2.2 Jarak Antara Sudu

Jarak antara sudu dapat ditentukan dengan persamaan :

L = ^{� .�1}

� ...(lit 4 hal 141) Dimana : D₁ = Diameter sudu pada sisi masuk

z = Jumlah sudu (direncanakan 8) maka :

 Perancanagan I :

L = ^{3,14 .0,60}

8 = 0,23 m

 Perancanagan II :

L = ^{3,14 .0,46}

8 = 0,18 m

 Perancanagan III :

L = ^{3,14 .0,32}

8 = 0,12 m

3.5.2.3 Tebal Sudu Roda Jalan

Sudu roda jalan dalam perancangan ditentukan dengan menggunaka bahan seng dengan ketebalan 0.20 mm. (Data Seng dapat dilihat pada lampiran 1)

3.5.2.4 Tinggi Roda Jalan

Tinggi roda jalan dapat ditentukan dengan dengan persamaan : Hrj = tinggi turbin – tinggi penampang

= 1 m – 0,10 m = 0,90 m

3.5.2.5 Pemilihan Bahan Sudu

Pada umumnya bahan sudu yang digunakan adalah besi cor (cast iron), baja cor (cast steel), baja tahan karat (stainless steel), ataupun untuk turbin yang menghasilkan daya yang relative kecil, bahan yang digunaan adalah besi tuang atau perunggu.

Pada perancangan ini dipilih bahan sudu adalah seng. Bahan seng kuat dan tahan lama terhadap korosi yang terjadi diair, mempunyai bobot sangat ringan dan memiliki permukaan yang licin.

3.6 Efesiensi Turbin Vortex

Untuk efesiensi turbin dapat dihitung dengan menggunakan rumus : ɳt = ^{�������}

�_��� x 100 %...(lit 1 hal 1026)

dimana :

P_air = Daya air (watt) P_turbin = Daya turbin (watt)

• Untuk menghitung daya air dapat menggunakan rumus : Pair =¹

2 m.v²...(lit 1 hal 1058) Dimana :

ṁ = Laju aliran massa (kg/m³) ṁ =ρ ^{. Q}

= 1000 kg/m³ . 0,0052 m³/s = 5,2 kg/s v = kecepatan aliran air = 1,44 m/s

maka :

Pair =¹

25,2.(1,44²) = 5,391 watt

• Untuk menghitung daya turbin dapat menggunakan rumus :

Pturbin = T .ω

T = ρaV1(V_w1.R₁ + V_w2.R₂) ...(lit 1 hal 1026) ω ^=2��₆₀ ...(lit 1 hal 1033) Dimana :

T = Torsi (Nm)

ω = Kecepatan sudut (rad/s)

n = Kecepatan turbi = ^{60 .�}

� . �₁ ...(lit 1 hal 1122)

maka :

 Perancangan I :

n = ^{60 .0,72}

3,14 .0,60 = 23 rpm ω ^{=2 .3,}₆₀^{14 .23} = 2,41 rad/s

Pturbin = T .ω

= ρaV1(Vw1.R1 + Vw2R2).ω = ρaV1 (Vw1.ω.R1+ Vw2. ω.R2 )

= 5,2 (1,44 . 2,41 . 0,30 + (-0,36 . 2.41 . 0,09)

= 5.007 watt

 Perancangan II :

n = ^{60 .0,72}

3,14 .0,46 = 30 rpm ω ^{=2 .3,}₆₀^{14 .30} = 3,14 rad/s

Pturbin = T .ω

= ρaV1(V_w1.R₁ + V_w2R₂).ω = ρaV1 (V_w1. ω.R1+ V_w2. ω.R2 )

= 5,2 (1,44 . 3,14 . 0,23 + (-0,36 . 3,14 . 0.06)

= 5,055 watt

 Perancangan III :

n = ^{60 .0,72}

3,14 .0,32 = 45 rpm ω ^{=2 .3,}₆₀^{14 .43} = 4,5 rad/s

Pturbin = T .ω

= ρaV1(V_w1.R₁ + V_w2R₂).ω = ρaV1 (V_w1. ω.R1+ V_w2. ω.R2 )

= 5,2 (1,44 . 4,5 . 0,16 + (-0,36 . 4,5 . 0.04)

= 5,054 wat Maka dari hasil diatas didapat efesiensi turbin vortex :

 Perancangan I :

ɳt = ^5,007

5,391x 100 % = 93 %

 Perancangan II :

ɳt = ^5,055

5,391x 100 % = 94 %

 Perancangan III :

ɳt = ^5,054

5,391x 100 % = 94 %

3.7Putaran Spesifik Turbin

Putaran spesifik adalah putaran yang diperlukan untuk menganalisa hubungan antara putaran yang dihasilkan oleh daya turbin terhadap besarnya energi potensial yang diberikan.

Putara spesifik turbin dapat diperoleh dari persamaan :

n

s

=

^n√Pt

H^5/4

...(lit 1 hal 1053)

Dimana :

n = Putaran turbin (n₁= 23 rpm, n₂= 30 rpm dan n₃= 45 rpm) n_s = Putaran spesifik (rpm)

H = Tinggi effektif direncanakan (0,70m)

Pt = Daya turbin ( 0,005 kW x 1,341 HP = 0,0068 HP) Sehingga putaran spesifik turbin adalah :

 Perancangan I :

ns = ^23√0.0068

0,70^5/4

= ^1,9

0,64 = 3 rpm

 Perancangan II :

ns = ^30√0.0068

0,70^5/4

= ^2,5

0,64 = 4 rpm

 Perancangan III :

n_s = ^45√0.0068

0,70^5/4

= ^3,7

0,64 = 6 rpm

3.8Pemilihan Casing turbin

Casing turbin berfungsi untuk membagi dan menyalurkan air yang berasal dari penampang air ke sekeliling runner. Casing turbin terbagi atas dua tipe yaitu:

1. Tipe Terbuka

Tipe ini dipergunakan bila air permukaan direncanakan langsung mengenai sudu gerk turbin.

2. Tipe Saluran Tertutup

Tipe ini dengan sistem tertutup dengan menggunakan scroll casing. Tipe ini cocok digunakan bila air dari permukaan atas dengan menggunakan pipa penstok.

Dari pertimbangan diatas maka dalam perancangan dipilih rumah turbin dengan saluran terbuka.

3.9 Casing Turbin

Casing turbin atau Scroll casing dalam perancangan terdiri dari 2 tipe casing turbin berbentuk spiral dan lingkaran.

3.9.1 Casing Spiral

Casing spiral dengan penampang laluannya semakin mengecil dan aliran air semakin cepat. Perancangan casing turbin berbentuk spiral dengan diameter utama spiral 90 cm menggunakan metode segi tiga dapat dilihat pada gambar 3.6. Maka untuk mencari jari-jari tubin spiral dapat ditentukan dengan metode segi tiga.

Gambar 3.6 Metode Segitiga

Maka untuk diameter utama turbin 90 cm didapat hasil jari-jari dari gambar metode segitiga yaitu :

Tabel 3.2 Panjang jari – jari turbin spiral Jari –jari (r) Cm

1 50

2 4,75

3 4,5

4 4,25

5 40

6 3,75

7 3,5

8 3,25

Dari data diatas bentuk casing turbin spiral dengan lubang masuk tipe scroll dapat dibuat seperti gambar 3.7.

Gambar 3.7 Casing Spiral

3.9.2 Casing Lingkaran

Bentuk lingkaran dengan penampang laluan air merata kesekeliling sudu dengan kecepatan yang sama. Perancangan casing turbin berbentuk lingkaran dengan diameter lingkaran 90 cm menggunakan rumus lingkaran.

Gambar 3.8 Ukuran Lingkaran Dimana : D = diameter lingkaran = 0,90 cm

r = Jari-jari lingkaran :

r =

^�

2

=

^0,90�

2

=

⁰

,

^{45 m}

Maka dari hasil diatas casing lingkaran dengan lubang masuk tipe scroll dapat di buat seperti gambar 3.9.

Gambar 3.9 Casing Lingkaran

Pada perancangan ini bahan casing turbin spiral dan casing turbin lingkaran adalah Akrelik transparan dengan tebal 2,5 mm.

3.10 Pipa Buang (Draft Tube)

 Diameter pipa buang didapat dari persamaan : D = ^��

10 ...(lit 14) Dimana :

D_t = diameter turbin = 0,90 m Maka :

D = ⁹⁰

10 = 0,09 cm

3.11 Perancangan Poros Turbin

Poros turbin berfungsi untuk mentransmisikan daya dan putaran yang dihasilkan turbin ke poros generator.

3.11.1 Perhitungan Momen Torsi Poros

Poros yang digunakan pada turbin akan mengalami beban torsi. Untuk itu maka digunakan poros transmisi. Perhitungan kekuatan poros didasarkan pada momen torsi khususnya untuk poros turbin. Momen torsi rencana yang dialami poros adalah :

Mt = 9,74 . 10⁵ _n Pd

...(lit 6 hal 8)

Dimana : Mt = momen torsi

Pd = daya renana = 0,005 KW

n = putaran turbin (n1= 23 rpm, n2= 30 rpm dan n3= 45 rpm) Maka momen torsi adalah :

 Perancangan I :

Mt = 9,74 . 10^{5 0.005} 23

= 214 kg/mm

 Perancangan II :

Mt = 9,74 . 10^{5 0.005} 30 = 164 kg/mm

 Perancangan III :

Mt = 9,74 . 10^{5 0.005} 45 = 109 kg/mm

3.11.2 Pemilihan Bahan Poros

Dalam menentukan bahan perlu diketahui teganagan izinnya, yang dapat dihitumg dengan rumus :

�_� = ^��

�_�1 × �_�2 ...(lit 6 hal 9) dimana :

σb = kekuatan tarik bahan (kg/mm²)

S_f1 = faktor keamanan yang tergantung pada jenis bahan, dimana untuk bahan S-C besarnya : 6,0.

S_f2 = faktor keamana yang bergantung dari bentuk poros, dimana harganya berkisar antara 1,3 – 3,0.

Pada perancangan ini bahan poros yang dipilih adalah batang baja yang difinis dingin S 45 C-D dengan kekuatan tarik σ = 72 kg/mm². (Bahan poros dapat dilihat pada lampiran 2 ) Maka tegang geser izin adalah :

�_� = ^��

�_�1 × �_�2...(lit 6 hal 9)

=

⁷²

6�2,5

=

^{4,8 kg/mm2}

3.11.3 Pemeriksaan Kekuatan Poros

Hasil diameter poro yang dirancang harus diuji kekuatannya. Jika tegangan geser lebih besar dari tegangan geser izin, maka perancangan tidak akan menghasilkan hasil yang baik. Besar tegangan geser yang timbul pada poros adalah :

τt = ₃ .

. 16

dp Mp π

Dimana :

τt = tegangan geser akibat momen torsi (kg/mm²) Mt = momen torsi yang ditransmisikan (kg.mm) dp = diameter poros direncanakan (19 mm) maka perhitungan tegangan gesernya adalah sebagai berikut :