Pemilihan Bahan Sudu

BABA III METODOLOGI PERANCANGAN

3.5 Perhitungan Komponen – Komponen Utama Turbin

3.5.2 Ukuran – Ukuran Utama Sudu Roda Jalan

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 :

 Perancangan I :

�

_�

=

^16×214

3,14×19³ = ¹⁷⁴⁴

2154 = 1,59 kg/mm².

 Perancangan II :

�

_�

=

^16×164

3,14×19³ = ¹⁷⁴⁴

2154 = 1,22 kg/mm².

 Perancangan III :

�

_�

=

^16×8675

3,14×19³ = ¹⁷⁴⁴

2154 = 0,80 kg/mm². Maka dari hasil diperoleh �� <��, poros aman untuk digunakan.

3.12 Bantalan

Pada saat turbin beroperasi, pada poros akan bekerja gaya-gaya yaitu akibat berat poros dan akibat berat roda jalan. Secara umum gaya- gaya yang bekerja pada poros adalah :

1. Gaya radial, yaitu gaya yang terjadi pada poros dengan arah horizontal.

2. Gaya aksial, yaitu gaya yang bekerja pada poros dengan arah vertikal yang diakibatkan berat poros dan berat roda jalan.

3.12.1 Perhitungan Gaya Radial

Gaya radial yang bekerja pada poros dengan arah sejajar sumbu poros disebabakan oleh momentum fluida dan tekanan yang bekerja searah gerakan roda jalan .

1. Gaya Radial Akibat Momentum Fluida

Gaya radial akibat momentum fluida dapat dihitung dengan persamaan : Fm = ^�

�

.

^{Q . V}r1

Dimana :

F_m = Gaya radial akibat momentum fluida (kg) γ = Berat jenis fluida = 9806 N/m³

Q = Kapasitas aliran = 0,0052 m³/s

V_r1 = Kecepatan relatif aliran air melalui sudu turbin (m/s) Maka dari persamaan diatas didapat :

F_m = ⁹⁸⁰⁶

9,81

.

0,0052 . 0,94

F^m = 4,8 N = 0,48 kg 2. Gaya Radial Akibat Tekanan Searah Roda Jalan.

Gaya radial akibat tekanan yang bekerja searah gerakan roda jalan .dapat dihitung dengan persamaan :

F_t= ρ.a Vr1 (V_w1 + V_w2) Diaman :

ρ = Massa jenis air (kg/m³) a = Luas penampang (m²)

V_r1 = Kecepatan absolud sisi masuk (m/s)

V_w1= Kecepatan air memutar roda jalan pada sisi masuk (m/s) V_w2 = Kecepatan air memutar roda jalan pada sisi keluar (m/s)

Maka :

F_t = 1000 x 0,0036 x 0,94 (1,44 + 0,36) = 4 kg

3. Total gaya radial

Total gaya radial yang terjadi adalah : F_r = F_m + F_t = 0,38 + 4 = 4.38 kg

3.12.2 Perhitungan Gaya Aksial

Beban aksial pada poros diakibatkan oleh roda jalan dan berat poros. Berat poros dapat dihitung dengan rumus :

Wp = ^�

4 . Dp2

. L.p.g Dimana :

W_p = Berat poros (kg) D_p = Diameter poros (mm) L = Panjang poros (mm)

Ρ = Massa jenis poros (untuk baja = 7,8.10^-3 kg/cm³)

Maka :

W_p = ^3,14

4 . ^{1,92.150 .}7,8.10^-3. 9.81 = 33 kg

Untuk berat roda jalan dapat dihitung dengan persamaan : Wr = ^�

4 . (D12

. D22

) .t_b. γ Dimana :

W_r = Berat roda jalan (kg)

D₁ = Diameter sisi luar roda jalan (m) D₂ = Diameter sisi dalam roda jalan γ = Berat jenis bahan seng = 7140 kg/m t_b = Tebal sudu = 0.003 m

Maka dari persamaan diatas didapat :

• Perancangan I :

Wr ==^�

4 . ^{(0,602. 0,182}) .0.0002. 7140 = 0,37 kg

• Perancangan II :

Wr ==^�

4 . (0,45². 0,12²) .0,0002. 7140 = 0,21 kg

• Perancangan III :

Wr ==^�

4 . (0,30². 0,08²) .0,0002. 7140 = 0,094 kg

Dalam perancangan ini berat poros dan berat roda jalan di anggap sebagai beban terpusat.

Pembebanan pada poros dapat dilihat pada gambar 3.10.

Wp

Wr

Fa = Wp+Wr

Gambar 3.10 Pembebanan pada poros

Dari gambar 3.10 didapat persamaan :

• Perancangan I :

Fa = Wp + wr = 33 kg + 0,37 kg = 33,4 kg

• Perancangan II :

Fa = Wp + wr = 33 kg + 0,21 kg = 33,2 kg

• Perancangan III :

Fa = Wp + wr

= 33 kg + 0,094 kg = 33 kg

3.12.3 Pemilihan Dimensi Bantalan

Bantal yang digunakan adalah bantalan bola (deep groove ball bearing) jenis terbuka 6004 untuk menahan beban aksial (Gambar dan data bantalan yang digunakan dapat dilihat pada lampiran 3). Dimana ukuran – ukuran utamanya adalah :

-Diameter dalam bantalan (d1) = 20 mm -Diameter luar bantalan (do) = 42 mm

-Lebar (B) = 12 mm

-Beban dinamis (C) = 735 kg

Gambar 3.11 Bantalan

Untuk memeriksa kekuatan bantalan, perlu dihitung beban dinamis bantalan.

Bentalan mampu menahan beban apabila kapasitas nominal dinamis spesifik lebih besar dari kapasitas dinamis yang timbul pada bantalan. Beban ekivalen dinamis dihitung dengan persamaan :

P = X. Fr + Fa. Y Dimana :

Fr = Beban radial Fa = Beban aksial

X = Koefesien beban radial Y = koefesien beban aksial

Bantalan menahan beban aksial dan radial dari data, yaitu : X = Faktor rotasi = 0.4

Y = Faktor aksial = 1 Maka dari persamaan diatas didapat :

• Perancangan I :

P = 0.4 (4,38) + 1.(33,4) = 35,2 kg

• Perancangan II :

P = 0.4 (4,38) + 1.(33,2)

= 34,9 kg

• Perancangan III :

P = 0.4 (4,38) + 1.(33) = 34,7 kg

Untuk mengetahui apakah bantalan tahan terhadap pembebanan yang terjadi untuk suatu umur yang direncanakan, maka perludilakukan terhadap beban dinamis yang timbul terhadap bantalan. Beban dinamis yang direncanakan dapat dicari dengan persamaan :

ƒh = ƒn_�^Ć

Dimana :

Ć = Beban dinamis yang timbul

P = Beban ekivalen ƒh= Faktor umur bantalan

= �₅₀₀^�ℎ�^3�10

Lh = Lama pemakaian bantalan, direncanakan 200000 jam

= �²⁰⁰⁰⁰₅₀₀ �^3�10

= 3,02

ƒn= Faktor kecepatan bantalan

= �^33,3₃₇₅�^3�10

= 0,48

Sehingga diperoleh besaran beban dinamis :

_

C = P fn fh×

• Perancangan I :

_

C = �³₀^,_,⁰²₄₈� . 35,2 = 221,5 kg

• Perancangan II :

_

C = �³₀^,_,⁰²₄₈� . 34,9 = 219,5 kg

• Perancangan I :

_

C = �³₀^,_,⁰²₄₈� . 34,7 = 218,3 kg

Dari hasil perhitungan diatas diperoleh bahwa

_

C< C, sehingga bantalan aman untuk digunakan.

BAB IV KESIMPULAN

Pembangkit listrik tenaga air sangat cocok dikembangkan di indonesia mengingat potensi tenaga air yang sangat besar yang masih belum dimanfaatkan dan yang masih menjadi hambatan dalam pembuatan sistem pembangkit listrik tenaga mikrohydro adalah investasi awal yang besar, sehingga biaya investasi perkilowatt lebih tinggi dibandingkan dengan sistem pembangkit listrik yang lain. Pembangkit listrik tenaga air sangat menguntungkan di masa sekarang karena biaya operasinya sangat kecil.

Dari hasil perhitungan dan pembahasan perencanaan turbin yang dilakukan , maka diperoleh data-data sebagai berikut :

1. Turbin

- Jenis turbin : Turbin Vortex

- Jumlah : 2 unit

- Daya : 5 W

- Putaran operasi : N₁ = 23 rpm N2 = 30 rpm N3 = 45 rpm - Putaran spesifik : Ns1 = 3 rpm Ns2 = 4 rpm Ns3 = 6 rpm - Debit air : 0,0052 m/s 2. Penampang Air

- Panjang : 2 m

- Lebar : 0,12 m

- Tebal : 0.005 m

3. Roda Jalan

- Diameter roda jalan

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 - Jumlah sudu : 8 sudu - Jarak antara sudu

Perancangan I : 0,23 m Perancangan II : 0.18 m Perancangan III : 0,12 m - Tebal sudu : 0,0002 m - Radius kelengkungan : 30^o

- Bahan : Seng

4. Casing Turbin

- Diameter : 0,90 m

- Tebal : 0,0025 m

- Tinggi : 1 m

- Bahan : Akrilik

- Jenis : Terbuka (Spiral dan Lingkaran) 5. Pipa Buang (Draft Tube)

- Diameter : 0,09 m

- Panjang : 0,10 m

6. Poros

- Diameter : 0,019 m

- Panjang : 1,50 m

- Bahan : Batang Baja S 55 C-D

7. Bantalan

- Diameter dalam bantalan (d₁) = 20 mm - Diameter luar bantalan (do) = 42 mm

- Lebar (B) = 12 mm

- Beban dinamis (C) = 7350