ANALISA PERENCANAAN TURBIN AIR SEDERHANA SEBAGAI PEMUTAR POROS MESIN PENGUPAS KULIT KOPI

ANALISA PERENCANAAN TURBIN AIR SEDERHANA SEBAGAI PEMUTAR POROS MESIN PENGUPAS KULIT KOPI

TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Strata-1 Di Jurusan Teknik Mesin Universitas Mercu Buana

Oleh : Fajar Suhendra 01300 – 047

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA BARAT 2007

i

Tugas Akhir

LEMBAR PENGESAHAN


Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Strata-1 Di Jurusan Teknik Mesin Universitas Mercu Buana

Disetujui dan diterima oleh :

Pembimbing Tugas Akhir

Nanang Ruhyat ST, MT

Univ. Mercu Buana Fakultas Teknologi Industri Teknik Mesin

ii

Tugas Akhir

LEMBAR PENGESAHAN




Ketua Jurusan Teknik Mesin

Ir. Rully Nutranta, M. Eng


iii

Tugas Akhir

LEMBAR PENGESAHAN




Koordinator Tugas Akhir

Nanang Ruhyat ST, MT


xiii

Tugas Akhir

ABSTRAK

Dalam uraian Tugas Akhir ini turbin direncanakan untuk pengganti pemutar poros mesin pengupas kulit kopi yang selama ini digunakan sebagai pemutar poros tersebut dengan tangan (manual). Debit air yang digunakan adalah 150 liter/detik atau 0,15 m3/detik, tinggi tekan air yaitu 5 meter. Turbin ini direncanakan mengghasilkan daya 6,25 kW, jenis turbin yang digunakan adalah turbin

impuls

(aliran

langsung

Ossberger)

serta

direncanakan

kecepatan putaran turbin sebesar 500 rpm. Jumlah sudu yang diperlukan pada turbin ini sebanyak 12 buah. Diameter puli 375 mm, diameter poros 25 mm. Panjang sabuk – V 3277 mm dengan nomor nominal sabuk – V yaitu nomor 129. Bahan pembuatan turbin adalah baja karbon rendah standar St 37. Ukuran pasak 8 x 7, panjang pasak 18,75 mm dan bahan pasak S 45C, dicelup dingindan dilunakkan. Bantalan yang digunakan adalah bantalanrol kerucut nomor 32305 dengan umur bantalan 196774,415 jam.


vii

Tugas Akhir

DAFTAR ISI

Lembar pengesahan ...............................................................

i

Kata Pengantar .......................................................................

iv

Daftar Isi ..................................................................................

vii

Abstrak ...................................................................................

xiii

Daftar Gambar .........................................................................

xiv

Daftar Tabel .............................................................................

xv

Nomenklatur ............................................................................

xvi

BAB I PENDAHULUAN ...........................................................

1

1.1

Latar Belakang Masalah ....................................

1

1.2

Tujuan Penulisan ...............................................

2

1.3

Pembatasan Masalah .........................................

3

1.4

Metode Penulisan ...............................................

3

1.5

Sistematika Penulisan .........................................

3

BAB II LANDASAN TEORI ......................................................

5

2.1

Pengertian Turbin Air Pada Alat Pengupas Kulit Kopi

5

2.2

Keuntungan Dan Kerugian Pemakaian Turbin ....

6

2.3

Keuntungannya ...................................................

7

2.4

Kerugiannya ........................................................

7

2.5

Dasar Perencanaan dan Penelitian Turbin .........

8

2.6

Jenis – jenis Turbin Air ........................................

8

2.7

Turbin Impuls .....................................................

9

2.8

Turbin Reaksi ......................................................

21

2.9

Karakteristik Turbin ............................................

26


viii

Tugas Akhir

2.10

Efisiensi Turbin ....................................................

26

2.11

Daya Turbin ........................................................

28

2.12

Kecepatan Spesifik .............................................

29

2.13

Faktor Kecepatan ................................................

30

2.14

Kecepatan Satuan ...............................................

31

2.15

Debit Satuan .......................................................

32

2.16

Daya Satuan ........................................................

32

2.17

Pergerakkan (runner) Turbin dan Sudu Gerak ....

33

2.18

Kecepatan Absolut ..............................................

35

2.19

Pertimbangan Dalam Perencanaan Sudu Gerak

35

2.20

Segitiga Kecepatan .............................................

36

2.21

Sudu Jalan dan Roda Jalan ................................

38

2.22

Poros dan Pasak .................................................

39

2.23

Bantalan ..............................................................

41

2.24

Hulling (Pemecahan Kulit tanduk) Kopi ...............

42

2.25

Hulling pada Pengolahan Basah .........................

43

2.26

Hulling pada Pengolahan Kering ........................

44

BAB III PERENCANAAN TURBIN AIR SEDERHANA ............

46

3.1

Tahapan Perencanaan ........................................

46

3.2

Pengumpulan Data .............................................

46

3.3

Pemilihan Tipe turbin Air .....................................

47

3.4

Perhitungan Karakteristik Turbin .........................

50

3.4.1 Efisiensi energi yang dibangkitkan ...........

50

3.4.2 Daya Turbin ..............................................

51

3.4.3 Tinggi Air Jatuh yang Hilang .....................

52


ix

Tugas Akhir

3.5

3.4.4 Analisa Segitiga Kecepatan ......................

52

3.4.5 Kecepatan Air Keluar/Kecepatan Absolut

53

3.4.6 Kecepatan Keliling Masuk Tingkat Pertama

53

3.4.7 Diameter Luas Sudut Jalan ......................

53

3.4.8 Diameter Nominal .....................................

54

3.4.9 Sudut Relatif Tingkat Pertama ..................

55

3.4.10 Diameter Dalam Sudut Jalan ....................

56

3.4.11 Faktor Kecepatan .....................................

56

3.4.12 Kecepatan Satuan ....................................

56

3.4.13 Debit Satuan..............................................

57

3.4.14 Daya Satuan .............................................

57

Perhitungan Pergerakkan (runner) ......................

57

3.5.1 Kecepatan Putaran Penggerak pada Titik Jatuh Air (1) ......................................

57


58

3.5.3 Kecepatan Aliran Pada Titik (2) ................

59

3.5.4 Kecepatan Putaran Penggerak pada Ttitik Jatuh (3) ...........................................

59


59

3.5.6 Perhitungan Kecepatan Aliran dan Kecepatan Keliling ....................................

60

3.5.7 Pembangkit Daya Tiap Tingkat ................

62


x

Tugas Akhir

3.6

3.7

Perhitungan Dimensi Turbin ................................

63

3.6.1 Kedudukan Sudu Roda Jalan ...................

64

3.6.2 Jumlah Sudu ............................................

66

3.6.3 Jarak Antar Sudu ......................................

67

3.6.4 Sudut Pancar ............................................

68

3.6.5 Pipa Pancar ..............................................

70

3.6.6 Lembar Lingkaran Sudu ...........................

71

3.6.7 Lebar Penggerak (runner) ........................

72

3.6.8 Luas Penampang Pemasukan Air ............

72

3.6.9 Panjang Busur Pemasukan ......................

73

3.6.10 Lebar Roda Jalan .....................................

73

Perhitungan Kekuatan Sudu ...............................

74

3.7.1 Gaya Berat Sudu Jalan ............................

74

3.7.2 Volume Sudu Jalan ..................................

75

3.7.3 Berat Sudu Jalan ......................................

75

3.7.4 Perhitungan Gaya Aksial ..........................

75

3.7.5 Perhitungan Gaya Sentrifugal ..................

76

3.7.6 Gaya Impuls .............................................

77

3.7.7 Kekuatan Sudu Jalan ...............................

81

3.7.8 Gaya Geser Maksimum ............................

82

3.7.9 Tegangan Geser yang Terjadi ..................

82


xi

Tugas Akhir

BAB IV PERHITUNGAN PERENCANAAN KOMPONEN UTAMA 4.1

83

Perhitungan Puli dan V – Belt .............................

83

4.1.1 Sabuk Transmisi .......................................

83

4.1.2 Rasio Kecepatan ......................................

84

4.1.3 Diameter Puli ............................................

85

4.1.4 Kecepatan Sabuk .....................................

86

4.1.5 Panjang Sabuk .........................................

86

4.1.6 Jarak Antar Poros Minimum .....................

87

4.1.7 Sudut Kontak pada Puli Turbin .................

88

4.1.8 Sudut Kontak Puli Pengupas Kopi ............

89

4.1.9 Daya Aktual tiap Sabuk ............................

89

4.1.10 Jumlah Sabuk yang Dibutuhkan ...............

89

4.1.11 Gaya Pada Sabuk ....................................

89

Perhitungan Poros ..............................................

90

4.2.1 Penentu Dimensi Poros ............................

90

4.2.2 Daya Yang Direncanakan .........................

91

4.2.3 Momen Puntir ...........................................

91

4.2.4 Diameter Poros ........................................

92

4.3

Perhitungan Pasak ..............................................

94

4.4

Perhitungan Bantalan ..........................................

98

4.4.1 Umur Bantalan .........................................

100

BAB V PENUTUP ....................................................................

104

4.2

5.1

Kesimpulan .........................................................

104

5.2

Saran ..................................................................

105


xii

Tugas Akhir

DAFTAR PUSTAKA ................................................................

106

LAMPIRAN


xiv

Tugas Akhir

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Pusat Tenaga Air tekanan Tinggi di Pegunungan .........

6

Gambar 2.2 Split Buckett .................................................................. 10 Gambar 2.3 Nozzle ........................................................................... 11 Gambar 2.4 Diagram Bagian Suatu Mekanisme yang Sederhana ... 12 Gambar 2.5 TurbinPelton ................................................................. 13 Gambar 2.6 Grafik Presentase Debit dan Presentase Daya ............ 14 Gambar 2.7 Konstruksi Turbin Aliran Langsung Ossberger ............. 16 Gambar 2.8 Skema Konstruksi dan Bagan Kecepatan Turbin Aliran.17 Gambar 2.9. Grafik Randemen Turbin Aliran Ossberger……………. 18 Gambar 2.10. Skema Turbin Banki……………………………………. 19 Gambar 2.11. Turbin Banki…………………………………………….. 20 Gambar 2.12. Keadaan Tabung Terbuka yang Umum, untuk Turbin Reaksi yang Tinggi Tekanannya Kecil……………… 22 Gambar 2.13 Dua Jenis Corong Pembuang Turbin Reaksi……….. 23 Gambar 2.14. Bagan Penjelasan Instalasi Turbin Reaksi…………. 24 Gambar 2.15. Daerah Pemakaian Jenis Turbin…………………….. 33 Gambar 2.16 Volume Batas Turbin Aliran…………………………… 34 Gambar 2.17. Gaya yang Timbul akibat dari Aliran Zat Cair di Dalam Bejana yang Bergerak dengan Kecepatan Konstan u; Penjelasan Segitiga Kecepatan Masuk dan Segitiga Kecepatan Keluar………………………………………. 37 Gambar 2.18. Sudu Jalan dan RodaJalan…………………………… 39 Gambar 2.19. Macam – macam Pasak………………………………. 41 Univ. Mercu Buana Fakultas Teknologi Industri Teknik Mesin

xv

Tugas Akhir

Gambar 2.20. Sketsa Huller tipe Engelberg………………………… 43 Gambar 2.21. Sketsa Hummermill…………………………………… 45 Gambar 3.1 Skema Turbin dan Transmisi…………………………..

49

Gambar 3.3 Segitiga kecepatan pada runner dengan sudut sekeliling………………………………………………….

52

Gambar 3.4. Roda Jalan……………………………………………...

54

Gambar 3.5 Sudu Roda Jalan………………………………………..

63

Gambar 3.6. jarak antar sudu………………………………………… 67 Gambar 3.7. Sudut Pancar……………………………………………

68

Gambar 3.8. Lengkung Pipa Pancar…………………………………

70

Gambar 3.9 Lebar dan Luas Penampang Pemasukan Turbin……

72

Gambar 3.10 Kelengkungan Sudu…………………………………… 74 Gambar 3.11 poligon Gaya di tingkat 1……………………………… 77 Gambar 3.12 Poligon Gaya di tingkat 2……………………………… 79 Gambar 4.1 Dimensi utama sabuk dan puli…………………………. 84 Gambar 4.2 Gaya-Gaya pada Sabuk Transmisi……………………. 88 Gambar 4.3 ukuran pasak dan alur pasak…………………………… 93 Gambar 4.4 Tegangan geser pada pasak……………………………. 95 Gambar 4.5 Bantalan Rol Kerucut……………………………………. 98 Gambar 4.6. Dimensi Utama Bantalan………………………………. 99 Gambar 4.7. Dimensi rumah bantalan……………………………….. 103 Gambar 4.8. Rumah bantalan………………………………………… 103

DAFTAR TABEL TABEL 3.1. Kecepatan dan Aliran Air Pada Sudu………………….

62


xvi

Tugas Akhir

NOMENKLATUR

SIMBOL

KETERANGAN

SATUAN

a

Lebar lingkar sudu

(mm)

A

Luas Pemasukan

(mm2)

b

Lebar Pasak

(mm)

bo

Panjang Busur pemasukan

(mm)

B

Lebar Puli

(m)

C

Jarak Antar Poros

(mm)

Cb

Faktor Kelenturan

C1

Kecepatan mutlak air pada pemasukan (m/s)

C2

Kecepatan mutlak air pada pengeluaran (m/s)

Cu1

Kecepatan diarah keliling masuk

Cm1

Kecepatan mutlak diarah busur masuk (m/s)

Cm2

Kecepatan mutlak diarah busur keluar

(m/s)

ds

Diameter runner

(mm)

D1

Diameter luar runner

(mm)

D2

Diameter dalam runner

(mm)

fh

Faktor umur

fn

Faktor kecepatan untuk bantalan rol

F

Gaya tangensial

(kN)

Fa

Gaya aksial

(kN)

(m/s)


xvii

Tugas Akhir

Fc

Faktor koreksi

Fr

Gaya radial

(kN)

G

Gravitasi

(m/s2)

H

Tinggi tekan

(m)

Kt

Faktor koreksi

l

Panjang pasak

(mm)

L

Panjang sabuk

(mm)

Lh

Umur bantalan

(jam)

n

Banyaknya putaran poros per menit

(rpm)

ns

Putaran spesifik

(rpm)

N

Daya nominal

(kW)

P

Beban equivalent

(rpm)

Pa

Tekanan permukaan yang diizinkan

(kN/m2)

Pd

Daya rencana

(kW)

Q

Debit air

(m3/s)

QH

Debit satuan

(m3/s)

rb

Jari – jari kelengkungan sudu

(mm)

R1

Jari – jari runner

(mm) Univ. Mercu Buana Fakultas Teknologi Industri Teknik Mesin

xviii

Tugas Akhir

Sf1

Faktor keamanan karena pengaruh bahan

Sf2

Faktor keamanan karena pengaruh tegangan

t1

Kedalaman alur pasak pada motor

(mm)

t2

Kedalaman alur pasak pada naf

(mm)

T

Momen rencana

(kN.mm)

u1

Kecepatan penggerak pada pemasukan (m/s)

u2

Kecepatan penggerak pada pengeluaran (m/s)

w1

Kecepatan relative air pada pemasukan (m/s)

w2

Kecepatan relative air pada pengeluaran (m/s)

α1

Sudut – sudut yang dibentuk oleh pemasukan air

α2

Sudut – sudut yang dibentuk oleh keluaran air

β1

Sudut sudu sisi masuk

β2

Sudut sudu sisi keluar

η

Efisiensi

(%)

σb

Tegangan bengkok

(kN/mm2)

øo

Sudut busur pemasukan

(o)

τs

Tegangan geser

(kN/mm2)

φ

Faktor kecepatan Univ. Mercu Buana Fakultas Teknologi Industri Teknik Mesin

1

Tugas Akhir

BAB I PENDAHULUAN

1.1.

Latar belakang masalah Salah satu kebutuhan utama yang penting bagi manusia adalah

pengadaan

sumber

tenaga.

Dewasa

ini

krisis

energi

telah

menimbulkan beberapa ekses negatif dalam kehidupan manusia, dimana laju pertambahan penduduk sudah tidak seimbang lagi dengan kemampuan penyediaan kebutuhan. Dalam era globalisasi saat ini, pemerintah Indonesia telah mencanangkan peningkatan devisa negara melalui hasil – hasil kekayaan alam khususnya dalam bidang agrobisnis. Ini meliputi beberapa sektor yaitu pertanian, perikanan, dan peternakan. Di beberapa daerah sektor perikanan dan peternakan kkurang begitu dominan bila dibandingkan dengan sektor pertanian. Tetapi karena tidak didukung oleh mekanisme pertanian yang modern sehingga hasil yang dicapai kurang memuaskan. Ini juga disebabkan sebagian besar

Univ.Mercu Buana Fakultas Teknologi Industri Teknik Mesin

2

Tugas Akhir

petani bermukim didaerah yang jauh dari informasi teknologi. Dengan demikian pengolahan hasil pertanian masih mengandalkan tenaga manusia.

Contohnya

bagi

petani

yang

bertani

kopi,

dalam

pengolahannya masih secara tradisional (mesin pengupas kopi yang porosnya masih diputar dengan menggunakan tangan manusia) sehingga memakan waktu cukup banyak. Tetapi bila didukung oleh teknologi modern yang tepat guna, mungkin dibutuhkan waktu beberapa jam saja. Namun hal ini masih sulit diwujudkan karena mengalami kendala yaitu kurangnya energi listrik. Di pedesaan biasa terdapat bendungan yang digunakan untuk irigasi, tetapi bendungan ini belum digunakan secara maksimal melihat kapasitas air cukup besar sehingga tidak semuanya digunakan. Bendungan mempunyai dua fungsi dasar yaitu merupakan sebuah kolam

penampung

air

yang

mempunyai

kesanggupan

untuk

menyediakan air, menaikkan ketinggian tekan air yang merupakan potensi dari air sungai.1

1.2.

Tujuan Penulisan Tujuan penulisan ini adalah untuk mengaplikasikan teori – teori

yang diperoleh selama perkuliahan. Dan merencanakan turbin air sederhana untuk menggantikan tenaga manusia menjalankan mesin pengupas kopi, serta bermanfaat bagi perkembangan teknologi konstruksi turbin dan masyarakat umum khususnya para petani kopi.

1

M.M. Dandekar, Pembangkit Listrik Tenaga Air, Jakarta : UIP, 1991


3

Tugas Akhir

1.3.

Pembatasan Masalah Dari berbagai masalah yang timbul, maka sesuai dengan

keterbatasan dan kemampuan, disini penulis membatasi masalah yaitu hanya pada perencanaan turbin air sederhana khususnya jenis turbin impuls. Untuk memutar poros mesin pengupas kopi.

1.4.

Metode Penulisan Untuk dapat menulis sebuah penulisan sekripsi yang baik, maka

penulis pada dasarnya melakukan pengumpilan data dari berbagai referensi untuk menunjang pembahasan. Data dan informasi tersebut kemudian dijadikan dasar pengembangan pada penulisan ini.

1.5.

Sistematika Penulisan Sistematika penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut :

BAB I PENDAHULUAN Yang

berisi

tentang

latar

belakang,

tujuan

penulisan,

pembatasan masalah, metode penulisan, dan sistematika penulisan.

BAB II LANDASAN TEORI Bab ini berisi tentang teori – teori dasar yang berhubungan dengan turbin air yang akan direncanakan berikut teori dasar dari elemen mekanik pendukung dari perencanaan ini.


4

Tugas Akhir

BAB III ANALISA PERENCANAAN MESIN PENGUPAS KULIT KOPI DENGAN MENGGUNAKAN TURBIN AIR SEDERHANA Bab ini meliputi tahapan perencanaan turbin air yang akan direncanakan, berikut dengan perhitungan untuk turbin air yang akan direncanakan.

BAB IV PERHITUNGAN PERENCANAAN ELEMEN MEKANIK Bab ini meliputi perhitungan perencanaan elemen – elemen mekanik yang akan direncanakan untuk memutar poros mesin pengupas kulit kopi.

BAB V PENUTUP Bab ini berisi tentang kesimpulan dari pembahasan tugas akhir serta dilengkapi dengan saran dari penulis.

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN


5

Tugas Akhir

BAB II LANDASAN TEORI

2.1

Pengertian Turbin Air Pada Alat Pengupas Kulit Kopi Kaidah energi menyatakan bahwa suatu bentuk energi akan

dapat diubah menjadi bentuk energi yang lain. Arus air yang mengalir mengandung energi, dan energi tersebut dapat diubah bentuknya, misalnya perubahan dari energi potensial (tekanan) menjadi energi kinetic (kecepatan), atau sebaliknya. Apabila arus air dalam aliranya dilewatkan melalui turbin air, maka energi yang ada dalam air akan diubah menjadi bentuk energi lain. Air yang mengalir mempunyai energi yang dapat digunakan untuk memutar roda turbin, karena itu pusat – pusat tenaga air dibangu di sungai – sungai dan di pegunungan – pegunungan.(1) Suatu turbin dapat direncanakan dengan baik bila diketahui tinggi energinya, yaitu

1

Fritz Dietzel, Dakso Sriyono, Turbin, Pompa dan Kompresor (Jakarta , Erlangga, 1993), hal. 3


6

Tugas Akhir

tinggi muka air ditambah tinggi kecepatan tepat di muka turbin (gambar2.1). Tinggi energi yang dimaksud adalah tinggi muka air waduk, reservoir air atau tinggi muka air tangki peredam dikurangi kehilangan tinggi, yang dimana kehilangan tinggi disebabkan oleh : pergesekan dalam pipa, belokan, penyempitan diameter dan lain – lain.(2)

Gambar 2.1. Pusat Tenaga Air Tekanan Tinggi di Pegunungan(3)

2.2

Keuntungan dan Kerugian Pemakaian Turbin Pemakaian mesin tenaga dengan menggunaakan tenaga

potensial air ini mempunyai keuntungaan dan kerugian kalau dibandingkan dengan jenis penggerak lainnya seperti turbin uap, turbin gas, motor baker, dan lain – lain.

2

O.F. Patty. Tenaga air (Jakarta : Erlangga, 1995), hal. 91 Fritz Dietzel, Dakso Sriyono, Turbin, Pompa dan Kompresor (Jakarta , Erlangga, 1993), hal. 1 3


7

Tugas Akhir

2.2.1. Keuntungannya : 1. Tidak

membutuhkan

bahan

bakar,

hal

ini

sangat

menguntungkan bagi daerah – daerah pedesan yang terpencil dimana transportasi dan komunikasi sangat sulit. 2. Konstruksi sangat sederhana dibanding dengan mesin penggerak lainnya yang rumit, sehingga perawatannya mudah dan murah. 3. Mempunyai umur pemakaian yang cukup lama kerena beroprasi pada temperatur yang tidak terlalu tinggi. 4. Tidak menimbulkan polusi. 5. Biaya operasi murah. 6. Elemen – elemen turbin relatif murah. 2.2.2. Kerugiannya : 1. Biaya investasi untuk pertama kali lumayan besar karena untuk pembangunan bendungan, pintu air, instalasi pipa, gedung sentral dan lain – lain. 2. Harus mempunyai persediaan air kontinyu. 3. Bersifat stationer, sehingga tidak dapat dipindah – pindahkan tempatnya. 4. Tidak bisa dipasang disembarang tempat. 5. Dipengaruhi oleh iklim (curah hujan). 6. Banyak memakan tempat.


8

Tugas Akhir

2.3

Dasar Perencanaan dan Penelitian Turbin Dalam perencanaan sebuah turbin harus melihat kepada data –

data yang ada serta situasi dan kondisi untuk menempatkan turbin tersebut. Faktor – faktor yang penting dalam perencanaan antara lain : ¾ Fungsi ¾ Pembuatan ¾ Pemasangan ¾ Pemakaian ¾ Perawatan Dalam perencanaan turbin air ii, terutama sekali ditekankan terhadap karakteristik turbin, perencanaan sudu jalannya hingga dapat memenuhi sifat – sifat aliran air dan putaran turbin yang diinginkan, serta kekuatan mekanisnya.

2.4

Jenis – jenis Turbin Air Terdapat dua jenis utama turbin, yaitu turbin impuls dan turbin

reaksi. Pada turbin impuls, pancaran (jet) air bebas mendorong bagian turbin yang berputar yang ditempatkan pada tekanan atmosfir. Pada turbin reaksi, aliran air terjadi dengan tekanan pada ruang tertutup. Meskipun energi yang diberikan kepada turbin impuls adalah semata – mata energi kinetic, sedangkan turbin reaksi memanfaatkan juga tekanan disamping energi kinetic.(4)

4

Ray K. Linsley, Joseph B. Franzini, Teknik Sumber Daya Air jil:2 (Jakarta, Erlangga, 1985), hal.1


9

Tugas Akhir

Contoh turbin impuls adalah turbin Pelton, turbin aliran Ossberger dan turbin Banki sedang turbin francais, turbin Kaplan dan turbin Propeller (baling – baling) adalah contoh dari turbin reaksi. 1.2.1. Turbin Impuls Turbin impuls dikenal juga sebagai roda air tangensial atau roda Pelton, diambil dari nama orang yang mengembangkannya menjadi rencana dasar yang dipakai saat ini. Disebut juga sebagai turbin tekanan tetap karena pada turbin jenis ini energi potensial diubah menjadi energi kinetic dalam bentuk pancaran air, kemudian pancaran air diterima oleh sudu – sudu turbin sehingga rotor turbin akan berputar. Turbin ini mempunyai ember terbelah (split bucket) yang terletak dikelilingi luarnya (gambar 2.2). Ember – ember tersebut dapat dicetak tersendiri kemuian dibautkan pada central spider – nya, atau dapat juga seluruh runner dicetak sebagai satu kesatuan. Pada saat pancaran air menerpa sisi pemisah dari ember, ia akan terpisah menjadi dua bagian dan akan keluar lagi dari kedua sisi ember.


10

Tugas Akhir

Gambar 2.2. Split Buckett(5)

Untuk turbin yang kecil hanya dipergunakan satu titik pancran air, tetapi untuk turbin yang besar diperlukan dua atau lebih pancaran air dari titik – titik yang berbeda di sekitar runner. Pancaran air ini biasanya dihasilkan oleh sebuah penyemprot (nozzle) berbentuk jarum yang mirip dengan katup jarum (gambar 2.3). Kecepatan putaran turbin dipertahankan tetap pada berbagai besaran beban dengan merubah – rubah debit dari pancaran air.

5

Khurmi, R.S, A Text Book of Hydraulics, Fluid Mechanics and Hydraulics Machines, S. Chand and Company Ltd (Nem Delhi, 1984) hal. 751


11

Tugas Akhir

Gambar 2.3. Nozzle(6) Karena pukulan air dapat terjadi di pipa pesat bila penyemprot menutup dengan tiba – tiba, maka ada beberapa penyemprot yang dilengkapi dengan katup bypass yang akan membuka bila katup jarumnya ditutup dengan cepat. Pengaturan kecepatan dapat diperoleh pula dengan mempergunakan deflector (pengalih arah) pancaran yang kedudukannya dapat diatur untuk menjauhkan pancaran air dari turbin bila beban turun. Duatu pengatur diperlukan untuk menggerakkan penyemprot, bypass dan deflector. Mekanisme yang sederhana dari alat pengatur ini dapat dilihat pada gambar 2.4. Jika kecepatan rotor bertambah, A akan naik sehingga minyak masuk ke ruang B, sehingga penyemprot atau nozzle akan tertutup sedikit. Jika kecepatan berkurang akan terjadi oprasi yang sebaliknya. Mekanisme yang sebenarnya dari alat pengatur ini sebenarnya jauh lebih rumit, karena diperlukan suatu rangkaian kompensasi untuk mencegah terjadinya over – travel dari torak servomotor untuk mendapatkan pengaturan kecepatan yang peka.

6



12

Tugas Akhir

Gambar 2.4. Diagram Bagian Suatu Mekanisme yang Sederhana(7) Rotor generator biasanya dipasang pada suatu poros mendatar diantara dua buah bantalan dengan runner yang terpasang pada ujung poros tersebut. Hal ini dikenal sebagai pemasangan single – overhung. Sering juga runner dipasang pada kedua sisi generator (konstruksi double – overhung) untuk menyamakan beban bantalan. Turbin impuls dilengkapi dengan rumah turbin untuk mencegah terjadinya percikan, tetapi tekanan udara didalam rumah tersebut harus sama dengan tekanan atmosfir. Untuk memperoleh efisiensi yang baik, lebar haruslah tiga hingga empat kali lebih panjang dari garis tengah pancaran air, sedangkan garis tengah (diameter) roda runner haruslah 15 hingga 20 kali garis tengah pancaran air. Garis tengah turbin impuls dapat mencapai 1 ft (5 m). Secara teoritis, efisiensi dapat diperoleh jika ember dapat membalikkan kecepatan nisbi pancaran air secara penuh. Hal ini tidak mungkin karena air harus disimpangkan kesatu sisi untuk menghindarkan terjadinya gangguan timbal balik dengan ember berikutnya, sehingga sudut ember biasanya adalah 165o. Takikan pada

7

Ray K. Linsley, Joseph B. Franzini, Teknik Sumber Daya Air jil:1 (Jakarta, Erlangga, 1985), hal. 3


13

Tugas Akhir

ember mencegah terbenturnya bagian belakang ember oleh pancaran air pada waktu bergerak ke kedudukan berikutnya. Turbin Pelton sangat baik pada PLTA dengan tinggi yang besar pada debit air yang kecil. Banyak pancaran dapat dibuat satu hingga empat; kapasitas pipa pancaran ditentukan oleh diameternyayang pad umumnya diambil sebesar 20 cm. Diameter runner ditentukan oleh syarat mesin, antara lain penempatan timba dan gaya setrifugal yang diperbolehkan dan ditentukan oleh kekuatan bahan. Bagian – bagian utama dariturbin Pelton adalah : (gambar 2.5) a. Pipa nozzle

dan lain – lain yang diperlukan untuk

mengarahkan aliran jet (pancaran) air. b. Runner yang menggunakan energi kinetis aliran jet (pancaran) air. c. Kotak penutup untuk mengamankan runner dan nozzle. d. Alat pengatur kecepatan (governor) agar kecepatan tetap sama pada beberapa beban.

Gambar 2.5 Turbin Pelton(8)

8

O.F. Patty, Tenaga Air, (Jakarta : Erlangga, 1995), hal : 95


14

Tugas Akhir

Pada umumnya lebih banyak mesin dengan as horizontal dipakai pada mesin dengan as vertical. Pada as horizontal bila diperlukan 4 jet, maka dipakai 2 runner, sedang setiap runner mendapat aliran dari 2 jet. Pada as vertical dipakai 1 runner yang dijalankan oleh 4 jet. Besarnya effisiensi pada beberapa presentase debit dan presentase daya diperlihatkan oleh grafik pada gambar 2.6. Grafik ini memperlihatkan : a. Debit pada beban nol kecil; besarnya debit untuk memutar turbin, jadi tidak untuk memutar turbin dan generator agar dapat membangkitkan tenaga listrik, dengan

kecepatan

normal

3%

dari

debit

yang

direncanakan. b. Garis effisiensi praktis horizontal, berarti effisiensi tidak berubah pada beberapa beban.

Gambar 2.6 Grafik Presentase debit dan Presentase Daya(9) 9

O.F. Patty, Tenaga Air, (Jakarta : Erlangga, 1995), hal : 96


15

Tugas Akhir

Untuk mendapatkan H efektif sebesar mungkin, turbin harus ditempatkan serendah mungkin. Perlu diperhatikan bahwa roda turbin Pelton harus diletakkan diatas muka air tertinggi dalam saluran pembuangan. Di samping bentuk garis effisiensi yang praktis horizontal, turbin Pelton, dibandingkan turbin yang lain, mempunyai keuntungan : pengaturan kecepatan yang lebih baik dan konstruksi yang sederhana. Pada H yang besar ini, pencegahan timbulnya pukulan air harus mendapat perhatian serius, antara lain ukuran lubang saringan halus pada tempat pemasukan pipa pesat, yang untuk turbin Pelton sebesar 1,5 cm. maka turbin Pelton bisa digunakan untuk setiap ketinggian air jatuh. Daya yang dihasilkan mulai 0,5 kW sampai dengan 260.000 kW dan tinggi air jatuh mulai dari 2,2 meter sampai dengan 1260 meter. Turbin aliran Ossberger, permukaan air kesudu turbin secara radial. Turbin ini terdiri dari 3 bagian utama, yaitu : (Gambar 2.7) 1. Roda jalan 2. Alat pengarah 3. Rumah turbin


16

Tugas Akhir

Gambar 2.7. Konstruksi Turbin Aliran Langsung Ossberger(10) Turbin aliran Ossberger ini termasuk golongan konstruksi turbin tekanan sama (turbin impuls). Air dalirkan melewati sudu – sudu jalan yang berbentuk silinder, pertama – tama air dari luar masuk kedalam silinder sudu – sudu dan kemudian dari dalam keluar. Aliran air yang lewat kedua (tingkat kedua)menghasilkan daya kurang lebih dari 20%nya daya yang dihasilkan tingkat pertama, jadi faedahnya tetap ada dan air tanpa ada kesulitan bisa meninggalkan roda jalan. Turbin ini mempunyai alat pengarah sehingga dengan demikian celah bebas dengan sudu – sudu disekeliling roda hanya sedikit kemacetan – kemacetan, yang menimbulkan sedikit tekanan lebih. Tekanan lebih tersebut kurang lebih hanya 6%-nya tekanan kerja turbin. Bentuk sudu dengan bagan kecepatan yang terdapat pada gambar 2.8, menunjukan

10

Fritz Dietzel, Dakso Sriyono. Turbin, Pompa dan Kompresor (Jakarta, Erlangga, 1993) hal. 37


17

Tugas Akhir

perbandingan kecepatan u = 0,5 disisi bagian masuk sudu, harga c1 kecepatan air masuk (c1) didapat dari tinggi air jatuh (H) yang telah diketahui, sedangkan harga kecepatan tangensial didapat dari hubungan yang saling bergantung satu sama lain antara D dan kecepatan putar roda turbin n yaitu u = D . π . n/60 (11) Dimana :

u

= Kecepatan tangensial roda turbin (m/detik).

D

= Diameter lingkar sudu (m).

N

= Kecepatan roda turbin (rpm)

Gambar 2.8 Skema Konstruksi dan Bagan Kecepatan Turbin Aliran(12) Roda jalan dan alat pengarah dibagi menjadi 2 buah sel tegak lurus yang tidak sama dengan perbandingan 1 : 2. Maksudnya adalah bila aliran air kapasitasnya sedikit maka yang dioprasikan adalah sel yang kecil, bila kapasitas air sedang – sedang saja maka yang

11

Fritz Dietzel, Dakso Sriyono. Turbin, Pompa dan Kompresor (Jakarta, Erlangga, 1993) hal. 36 12 Ibid, hal. 37


18

Tugas Akhir

dioprasikan adalah sel yang besar dan bila kapasitas aliran airnya banyak maka turbin bekerja dengan kedua buah sel tersebut. Sehingga dalam ketiga kondisi oprasi tersebut diatas perbandingan kecepatan adalah tetap sama. Jadi bila ada gangguan, pada kondisi beban sebagian (tidak maksimum) maka randemen turbin masih baik (Gambar 2.9)

Gambar 2.9. Grafik Randemen Turbin Aliran Ossberger(13) Turbin aliran air ini baik sekali dugunakan untuk pusat tenaga air yang kecil dengan daya kurang lebih 750 kW. Tinggi air jatuh yang bisa digunakan diatas 1 m3/detik. Randemennya kurang lebih 80%. Kecepatan putarnya antara 60 menit sampai dengan 200 menit tergantung kepada diameter roda. Di dalam daerah daya turbin tersebut diatas cocok untuk dipakai menggerakkan penggilingan, penggergajian kayu, bengkel, generator listrik kecil, pompa – pompa dan lain – lainnya.(14) Turbin Banki dikenal sebagai turbin impuls radial, dimana air mengalir melalui sudu – sudu turbin yang sama dua kali yaitu pada tingkat pertama dan kedua dari turbin tersebut. Turbin Banki 13

Fritz Dietzel, Dakso Sriyono. Turbin, Pompa dan Kompresor (Jakarta, Erlangga, 1993) hal. 38 14 Ibid


19

Tugas Akhir

merupakan

perkembangan

dari

Turbin

aliran

Ossberger

yang

diketemukan oleh Michell (Australia) dan Banki (Honggaria) atau dapat disebut juga cross – flow turbine. Turbin ini mempunyai alat pengarah sehingga dengan demikian celah bebas dengan sudu – sudu di sekeliling roda hanya sedikit. Sudu – sudunya dapat dibuat dari bagian pipa yang dipotong – potong karena lengkungan sudu mempunyai jari – jari yang tetap. Ujung – ujung dari sudu – sudu tersebut ditumpu oleh dua belah plat yang berbentuk piringan kemudian dibaut sehingga sudu – sudu ini membentuk susunan radial. Gambar 2.10, dibawah ini memperlihatkan bentuk yang sederhana dari turbin ini. Pada gambar dibawah ini terlihat bahwa aliran air memasuki runner turbin melalui sudu pengarah pipa pancar pada tingkat pertama. Sebagian dari energinya dipindahkan oleh air ke sudu – sudu turbin. Sebagian dari sisa energinya dibawa terus oleh air masuk ke tingkat kedua lalu dipindahkan lagi, dan akhirnya air keluar dari turbin tersebut.

Gambar 2.10. Skema Turbin Banki(15)

15

Arter, Alex and Uell Meller, Cross Flpw turbine Design an Equipment Enginering, vol. 3, Swiss, SKAT, 1990


20

Tugas Akhir

Turbin Banki sederhana dan murah dalam pembuatan dan perawatannya. Hal ini disebabkan karena turbin ini mempunyai konstruksi yang sangat sederhana (Gambar 2.11) yaitu sebagian besar terbuat dari plat – plat baja dan pipa – pipa baja standar yang mudah didapat dipasaran. Plat – plat ini disatukan dengan baut, sehingga memudahakan pembongkaran dan pemasangannya kembali.

Gambar 2.11. Turbin Banki(16)

16

Arter, Alex and Uell Meller, Cross Flpw turbine Design an Equipment Enginering, vol. 3, Swiss, SKAT, 1990


Tugas Akhir

21

1.2.2. Turbin Reaksi Aliran air yang melalui turbin reaksi dapat berupa aliran radial, aksial atau campuran (sebagian radial dan sebagian aksial). Dua jenis turbin reaksi yang banyak dipergunakan adalah turbin Francais, turbin Kaplan dan turbin propeller (baling – baling). Pada turbin Francais yang biasa, air masuk kedalam rumah siput dan bergerak ke dalam runner melalui sederet sudu – sudu pengatur dengan celah – celah penyempitan yang mengubah tinggi tekanan menjadi tinggi kecepatan. Sudu – sudu tersebut dapat diatur sedemikian rupa sehingga jumlah air yang masuk dan arah aliran dapat dikendalikan. Sudu – sudu pengatur ini yang disebut pintu gerbang kecil, dioperasikan dengan menggerakkan suatu cicin penggeser dimana masing – masing sudu terpasang. Jika beban turbin berkurang dengan cepat, alat pengatur akan bekerja menggerakkan mekanisme yang akan menutup sudu pengatur. Suatu katup pengaman atau tangki peredam tekanan biasanya diperlukan untuk mencegah terjadinya tekanan pukulan air yang berat. Aliran air yang melalui runner turbin Francais yang biasa mula – mula merupakan aliran dengan arah radial yang lambat laun berubah menjadi aksial. Turbin Francais direncanakan untuk memperkecil luas penampang yang sebanding dengan penurunan laju aliran, dengan demikian menjaga langgengnya kecepatan. Untuk tinggi tekan kurang dari 12 meter turbin Francais dipasang dengan tabung terbuka. (Gambar 2.12)


22

Tugas Akhir

Gambar 2.12. Keadaan Tabung Terbuka yang Umum, untuk Turbin Reaksi yang Tinggi Tekanannya Kecil(17) Setelah meninggalkan runner, air memasuki suatu corong pembuang yang penampangnya makin besar ke sisi luarnya. Penampang yang demikian dimaksudkan untuk mengurangi kecepatan aliran. Corong pembuang yang paling sederhana adalah dari jenis tegak (vertical) (Gambar 2.13a), yang biasanya terbuat dari plat baja. Bila keadaan ruangan tidak memungkinkan digunakan corong pembuang tegak, biasanya dipasang corong pembuang bengkok (siku – siku) didalam betonan bangunan pembangkit yang bersangkutan (Gambar 2.13b). Corong pembuang mengurangi kecepatan aliran dan dengan

sendirinya

juga

mengurangi

kehilangan

energi

pada

pengeluaran. Untuk mencegah terpisahnya aliran air dari dinding corong pembuang, sudut puncak dari konis cembungnya haruslah kurang dari 10o . untuk mencegah kavitasi, maka jarak vertical z1 (Gambar 2.14) yaitu antara tinggi air buangan (tallwater) dengan pintu masuk corong pembuang harus dibatasi sedemikian rupa sehingga

17

Ray K. Linsley, Joseph B. Franzini, Teknik Sumber Daya Air jil:1 (Jakarta, Erlangga, 1985), hal. 7


Tugas Akhir

23

tidak ada satu titik pun di dalam turbin dimana terjadinya penurunan tekanan uap air secara mutlak.

Gambar 2.13 Dua Jenis Corong Pembuang Turbin Reaksi(18)

18



24

Tugas Akhir

Gambar 2.14. Bagan Penjelasan Instalasi Turbin Reaksi(19) Turbin baling – baling (propeller) adalah suatu mesin yang digerakkan oleh aliran aksial dengan runner-nya diletakkan didalam saluran tertutup. Turbin ini biasanya dipasang pada sumbu tegak, walaupun dapat dipasang pada sumbu mendatar atau agak miring. Runner umumnya mempunyai empat hingga delapan buah daun baling – baling yang dilekatkan pada suatu sumbu, dengan celah yang sangat kecil antara baling – baling kapal. Pintu yang dapat diatur pada hulu runner dipergunakan untuk mengendalikan aliran Turbin Kaplan adalah suatu turbin baling – baling dengan daun baling – baling yang dapat digerakkan dan gerak majunya dapat diatur agar sesuai dengan kondisi operasi yang terbaik. Pengaturan ini dilakukan dengan suatu mekanisme di dalam sumbu runner

yang

dijalankan secara hidrolik oleh suatu alat pengatur aliran selaras

19

Ibid, hal. 8


25

Tugas Akhir

dengan pengaturan sudu – sudu pengatur. Dengan turbin yang bekerja karena aliran aksial, generator dapat dipasang di luar jalur aliran air atau dapat juga diletakkan di dalam suatu kerangka baja kedap air berjalur halus yang dipasang di tengah jalur aliran. Perbedaan antara Turbin Impuls dan Turbin Reaksi adalah : 1. Turbin Impuls a. Seluruh ketinggian tekanan diubah menjadi ketinggian kinetic sebelum mengenai mangkok (sudu). b. Rotor tidak penuh air. c. Sementara air melalui sudu, tekanan tetap sebesar tekanan atmosfir sejak pemasukan hingga pengeluaran. d. Turbin diletakkan di atas air bawah. e. Usaha / kerja dilaksanakan oleh perubahan dalam daya kinetic dari pancaran air. f. Mudah dreparasi karena bagian – bagiannya mudah dicapai. 2. Turbin Reaksi a. Hanya sebagian dari ketinggian tekanan yang diubah menjadi ketinggian kinetic sebelum mengenai sudu. b. Kecepatan dan tekanan keduanya berubah selama pengaliran air melewati sudu – sudunya. c. Rotor sepenuhnya dipenuhi air dalam suatu aliran tertutup dari atas sampai ke air bawah.


26

Tugas Akhir

d. Turbin berada dibawah atau di atas air bawah dengan dihubungkan oleh pipa isap. e. Reparasinya sukar. f. Kecepatan putar besar, untuk kapasitas yang sama ukuran turbin reaksi lebih kecil dari turbin impuls.

1.5.

Karakteristik turbin Setiap turbin mempunyai karakteristik atau cirri khas dan untuk

hal ini perlu diketahui beberapa pengertian. Di dalam karakteristik turbin terdapat antara lain : 1. Fluida kerja yang digunakan air, sedangkan density air besar maka akibatnya putaran dari turbin tidak dapat besar. 2. Pada umumnya cara kerja reaksinya lebih diutamakan untuk memperoleh putaran yang lebih tinggi.

1.5.1. Efisiensi Turbin Pada umumnya suatu turbin air mempunyai efisiensi antara 0,75 sampai dengan 0,9. Besarnya efisiensi tersebut tergantung dari jenis turbin (makin besar ukuran turbin, maka makin tinggi efisiensinya) dan juga bergantung pada variasi beban pada motor. Tapi untuk turbin Banki dan aliran Ossberger, efisiensinya hanya berkisar antara 0,68 sampai dengan 0,86. seluruh kerugian – kerugian ini dihitung dalam total efisiensi, yang terdiri dari tiga jenis efisiensi yaitu efisiensi volumetris, efisiensi hidrolis, efisiensi mekanis.


27

Tugas Akhir

¾ Efisiensi volumetris (ηv) Debit air yang dimasukkan ke turbin, tidak semuanya masuk kedalam roda jalan sebagian keluar dari celah antara roda jalan dan sudu pengarah, dan sebagian lagi aka keluar melalui rumah turbin pada keliling poros. Maka hubungan tersebut dinyatakan dengan persamaan : Qe = ηv.Q…………………………………..(20) Dimana : ηv

= Efisiensi volumetris.

Qe

= Kapasitas air yang bekerja pada roda jalan

Q

= Kapasitas air yang dimasukkan (debit air)

¾ Efisiensi Hidrolis (ηh) Pada lintasan air yang melalui saluran turbin, akan terjadi kerugian – kerugian hidrolis pada turbin, yang diakibatkan karena gesekan air terhadap dinding turbin, juga gesekan air terhadap dinding pipa saluran, dan kerugian karena pusaran air. Semua kerugian ini bisa mengurangi head turbin, dan hubungan ini dapat dinyatakan dengan persamaan : Hh = ηh . H ……………………………………………..(21) Dimana :

20

ηh

= Efisiensi hidrolis.

Hh

= Head hidrolis.

H

= Head mula – mula.

Streeter, Victor L. Fluid Mechanics Ninth Edition, (United States : The McGraw Hill Companies, 1998, hal. 516 21 Ibid, hal. 516


28

Tugas Akhir

¾ Efisiensi mekanis (ηm) Sebagian daya output turbin akan hilang karena adanya kerugian – kerugian mekanis pada turbin, yaitu : pada bantalan turbin, dan kerugian karena gesekan antara permukaan luar roda jalan dengan air di sekelilingnya. Hubungan ini dapat dinyatakan dengan persamaan : Nef = ηm . Nh …………………………………………(22) Dimana : Nef

= Daya output

ηm

= Efisiensi mekanis.

Nh

= Daya output hidrolis

Dari ketiga jenis efisiensi tersebut diatas, maka efisiensi total turbin akan dapat dihitung berdasarkan rumus : Efisiensi total (ηT) = ηv . ηh . ηm

………………………………………………….

(23)

1.5.2. Daya Turbin Daya yang dapat dihasilkan oleh turbin dengan melihat keadaan head dan kapasitas aliran air yang tersedia adalah : (24) N = ηT γ QH , hp…………………………………………. 550

Atau

(25) N = ηT γ QH , kW ……………………………………… 737

22, 23

Ibid, hal. 516, 517 Arismunandar Wiranto, Penggerak Mula: Turbin, edisi kedua cetakan ketiga, Bandung : ITB, 1997, hal. 66

24


29

Tugas Akhir

Dimana : γ

= Berat jenis air (kg/m3) = 62,5 kg/m3

Q

= Kapasitas air (m3/detik)

H

= Tinggi air jatuh (m)

ηT

= efisiensi turbin air = 80% - 95%

Dalam system metrik :

N = ηT γ QH 75

, PS …………………………………….(26)

Dimana : γ

= Berat jenis air (kg/m3) = 1000 kg/m3

Q

= kapasitas air (m3/detik)

H


ηT

= efisiensi turbin air = 80% - 95%

1.5.3. Kecepatan Spesifik Kecepatan spesifik adalah kecepatan turbin yang mempunyai jenis sama dengan skala yang berbeda sehigga memiliki ukuran sedemikian rupa dimana untuk satu harga ketinggian air jatuhakan menghasilkan kapasitas aliran tertentu (nq), misal untuk tinggi jatuh air 1 meter, menghasilkan kapasitas air 1 m3/detik, atau untuk satu harga ketinggian jatuh akan menghasilkan satu satuan harga daya tertentu (ns), misal untuk tinggi jatuh air sebesar 1 feet, mneghasilkan daya 1 hp.

25 26

Ibid, hal. 66 Ibid, hal. 66


30

Tugas Akhir

Rumus umum dari kecepatan spesifik adalah :

ns = n√N5/4 (H)

………………………………………(27)

Dimana : n

= kecepatan putar turbin pada efisiensi maksimum (rpm)

N

= daya turbin (hp)

H

= tinggi air jatuh (ft)

Atau,

Nq = n√Q3/4 (H)

……………………………………..(28)

Dimana : n

= kecepatan putar turbin pada efisiensi maksimum (rpm)

Q

= debit air (m3/detik)

H

= tinggi air jatuh (m)

1.5.4. Faktor Kecepatan (speed factor) Faktor ini ditentukan oleh : φ=

Kecepatan putaran u (m/det) dari turbin ……….(29) √2 g H

u = ωr dengan ω = kecepatan sudut (radian/detik) dan r jari – jari turbin (bagian uang berputar)

27, 28

Pfleider, Stomungsmachinen, Springer-Verlag, Berlin/Götingen/Heidelberg, Univ. Mercu Buana 1957, hal. 59, 58 Fakultas Teknologi Industri O.F. Patty. Tenaga Air, (Jakarta, Erlangga, 1995), hal. 93 Teknik Mesin

29

31

Tugas Akhir

Faktor kecepatan ini juga dapat ditentukan dengan : φ = diameter . putaran per menit …………………………(30) 84,6√H

=

Dengan

D. n 84,6√H

n

= kecepatan putar turbin (rpm)

D

= diameter turbin (m)

φ

= konstanta untuk suatu turbin tertentu

1.5.5. Kecepatan Satuan Kecepatan satuan adalah kecepatan turbin (bagian yang berputar) yang geometris serupa (homologous) pada H = 1 meter dan D = 1 meter. Dengan mengambil rumus dari faktor kecepatan yang dimana : φ=

D. n 84,6√H

dengan demikian

H=

D2n2 = D2 n2 (a=konstanta) (84,6φ)2 a2

Kecepatan satuan (H=1 meter, D=1 meter) nH =

30 31


n.D ,rpm………….(31) √H


32

Tugas Akhir

1.5.6. Debit Satuan (unit discharge) Debit satuan adalah debit (m3/detik) turbin yang geometris serupa (homologous) pada H = 1 meter dan D = 1 meter. Maka didapat persamaan dibawah ini : φ (factor kecepatan)=

U . √2 g H

= atau u=φ√2 g H

Q = u.b. 1 π D2 (b=angka konstan)=e D2 √2 g H 4

QH (H=1 meter, D=1 meter) =

Q . ……………………..(32) D2 √H

1.5.7. Daya Satuan Daya satuan adalah daya yang dibangkitkan oleh turbin yang geometris serupa (homologous) pada Hnetto = 1 meter dan D = 1 meter. Maka didapat persamaan di bawah ini : N=ηT γ QH 75

, PS

N=ηT Q γ g H = j . Q H Q = e D2 √2 g H N =j . e D2 √2 g H . H=m D2 H3/2 NH= (H=1 meter, D= 1 meter) =

32 33


N . ,…….(33) D2 H3/2


33

Tugas Akhir

Gambar 2.15. Daerah Pemakaian Jenis Turbin(34)

1.6.

Pergerakkan (runner) Turbin dan Sudu Gerak Dalam menganalisa aliran air pada runner ditentukan suatu volume batas (control volume) yang dibatasi oleh bidang – bidang pembatas 1,2,3 dan 4 yaitu yang seperti terlihat pada gambar 2.16.

34

Arter,Alex and Uell Meller, Cross Flow Turbine Design and Equipment Engineering, vol. 3, Swiss, SKAT, 1990.


34

Tugas Akhir

Gambar 2.16 Volume Batas Turbin Aliran(35)

Pada Gambar tersebut : Bidang 1

: Keadaan dimana aliran air tepat memasuki sudu tingkat pertama. Seluruh notasi pada daerah ini dinyatakan dengan indeks 1.

Bidang 2

: Keadaan dimana aliran air tepat meninggalkan sudu tingkat

pertama.

Seluruh

notasi

pada

daerah

ini

dinyatakan dengan indeks 2.

35

Gyles, Ranald V. Mekanika Fluida Hidraul ka, (Jakarta, Erlangga), 1984.


35

Tugas Akhir

Bidang 3

: Keadaan dimana aliran air tepat memasuki sudu tingkat kedua. Seluruh notasi pada daerah ini dinyatakan dengan indeks 3.

Bidang 4

: Keadaan akhir dari aliran, dimana aliran air tepat meninggalkan sudu tingkat kedua. Seluruh notasi pada daerah ini dinyatakan dengan indeks 4.

1.6.1. Kecepatan Absolut Kecepatan absolute merupakan kecepatan air pada saat keluar dari pipa pancar dan akan masuk roda jalan turbin. Besarnya kecepatan aliran air adalah : c1=√2 g H ……………………………………………………..(36) dimana : g

= gravitasi = 9,81 m/detik2

H

= head air (m)

1.6.2. Pertimbangan Dalam Perencanaan Sudu Gerak Pada sebuah roda turbin mungkin terdapat beberapa baris sudu yang dipasang berurutan dalam aliran fluida kerja. Oleh karena sudu tersebut bergerak bersama – sama dengan roda turbin, maka sudu tersebut dinamai sudu gerak. Dalam perencanaan turbin air yang sangat utama adalah sudu gerak, maka dalam pembuatannya diperlukan ketelitian maka dapat tercapai suatu turbin air yang mempunyai efisiensi kerja yang maksimal.

36

Fritz Dietzel, Dakso Sriyono. Turbin, Pompa dan Kompresor, (Jakarta, Erlangga. 1993) hal. 18


36

Tugas Akhir

Ada beberapa hal bahwa tidak semua turbin air yang mengalir kedalam turbin dapat dirubah energinya menjadi energi mekanis, penyebabnya antara lain : ¾ Kerugian energi kinetis ketika meninggalkan sudu jalan, kerugian gesek antara fluida dengan permukaan dinding. ¾ Kerugian karena tumbukan. ¾ Kerugian mekanis. ¾ Kerugian karena adanya turbulensi. ¾ Kerugian – kerugian lainnya.

1.6.3. Segitiga Kecepatan Aliran air yang mengalir dari pipa pancarakan memasuki roda jalan dengan kecepatan mutlak (absolute) c, dan kecepatan relatif ω serta kecepatan tangensial roda turbin u. melalui sudu pengarah yang tetap, air dialirkan kedalam bejana dengan membentuk sudut α1 dan kecepatan c1. Satu bagian kecil air a bergerak pindah kedalam bejana dengan sudut α1 dan kecepatan c1 kearah titik c1’ tetapi pada waktu yang bersamaan air a tersebut juga bergerak dengan kecepatan u kearah ui. Dengan digambarnya c1 dan u bersma – sama didapat arah da besarnya kecepatan ω1. Untuk gambar segitiga kecepatan bagian air keluar didapat sebagai berikut, bila satu bagian kecil air z dalam mengalirnya sampai dibagian ujung keluar bejana kecepatannya berubah dari ω1 ke ω2 dan arahnya juga berubah dari α1 dan α2


37

Tugas Akhir

disebabkan karena pengecilan penampang A2/A1 dan kelengkungan bejana. Pada titik z digambar harga u2 (disini u1.u) dan digambar pula ω2 yang sesuai besar dan arahnya, dengan digambarnya c2 didapat segitiga kecepatan keluar. Keseluruhan dari uraian diatas dapat dilihat pada gambar 2.17.

Gambar 2.17. Gaya yang Timbul akibat dari Aliran Zat Cair di Dalam Bejana yang Bergerak dengan Kecepatan Konstan u; Penjelasan Segitiga Kecepatan Masuk dan Segitiga Kecepatan Keluar.37

37

Fritz Dietzel, Dakso Sriyono. Turbin, Pompa dan Kompresor, (Jakarta, Erlangga. 1993) hal. 11


38

Tugas Akhir

Bentuk kondisi segitiga kecepatan dalam kondisi yang ideal dapat digambar dengan asumsi sebagai berikut : (Gambar 2.18) ¾ Kapasitas aliran air konstan. ¾ Aliran air mantap (steady flow) dan serempak. ¾ Pengaruh gesekan dan gravitasi dalam turbin diabaikan. ¾ Massa jenis air konstan, air dianggap sebagai fluida yang inkompresibel. ¾ Tidak ada perubahan energi panas.

1.7.

Sudu Jalan dan Roda Jalan Pada sebuah roda turbin mungkin terdapat beberapa baris sudu

jalan yang dipasang berurutan dalam aliran fluida kerja. Setiap baris sudu terdiri dari sudu yang disusun melingkari roda turbin, masing – masing dengan bentuk dan ukuran yang sama. Celah antara puncak sudu dan rumah turbin harus dibuat sesempit – sempitnya agar energi fluida dapat sebanyak – banyaknya diubah menjadi kerja berguna. Disamping itu, pada umunya roda turbin berputar dengan kecepatan tinggi. Oleh karena itu, roda turbin harus ada dalam keadaan balans untuk mengurangi getaran dan mencegah terjadinya kerusakan, terutama akibat goresan atau tumbukan antara (puncak) sudu gerak dengan rumah turbin, atau antara (puncak) sudu jalan dengan roda jalan turbin.(Gambar 2.18).


39

Tugas Akhir

Gambar 2.18. Sudu Jalan dan RodaJalan

1.8.

Poros dan Pasak Dalam

merencanakan

sebuah

poros

perlu

diperhatikan

beberapa hal antara lain : 1. Kekuatan poros. 2. Kekakuan poros. 3. Putaran kritis. 4. Korosi. 5. Bahan poros.


40

Tugas Akhir

Dalam poros penerus daya ada beberapa macam poros dikasifikasikan menurut pembebanannya sebagai berikut : 1. Poros Transmisi Poros macam ini mendapat beban puntir murni atau puntir dan lentur. Daya ditransmisikan kepada poros ini melalui kopling, roda gigi, puli sabuk atau sprocket rantai, dll. 2. Spindel Poros transmisi yang relative pendek, seperti poros utama mesin perkakas, dimana beban utamanya berupa puntiran, disebut spindle. Syarat yang dipenuhi poros ini adalah deformasinya harus kecil dan bentuk serta ukurannya harus teliti. 3. Gandar Poros seperti yang dipasang pada roda – roda kereta barang, dimana tidak mendapat beban punter, bahkan kadang – kadang tidak boleh berputar maka dari itu disebut gander. Gander ini hanya mendapat bebban lentur kecuali jika digerakkan oleh penggerak mula dimana akan mengalami beban punter juga. Menurut bentuknya poros dapat digolongkan atas poros lurus umum, poros engkol sebagai poros utama

dari mesin

torak, poros luwes untuk transmisi daya kecil agar terdapat kebebasan bagi perubahan arah, dan lain – lain.


41

Tugas Akhir

Pasak adalah suatu elemen mesin yang dipakai untuk menetapkan bagian – bagian mesin seperti roda gigi, sprocket, puli, kopling, dan lain – lain. Momen diteruskan dari poros ke naf ke poros. Pasak pada umumnya dapat digolongkan atas beberapa macam, antara lain : Menurut letaknya pada poros dapat dibedakan yaitu : (Gambar 2.19) 1. Pasak pelana 2. Pasak rata 3. Pasak benam 4. Pasak singgung

Gambar 2.19. Macam – macam Pasak(38) 1.9.

Bantalan Bantalan adalah elemen mesin yang menumpu poros berbeban,

sehingga putaran atau gerakkan bolak – baliknya dapat berlangsung secara halus, aman, dan panjang umur pemakaiannya. Jika bantalan tidak berfungsi dengan baik maka prestasi seluruh system akan menurun atau tidak dapat bekerja secara mestinya. Bantalan dapat diklasifikasikan sebagai berikut: 38

Sularso, Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin, (Jakarta, P.T. Pradyna Paramita), 1983 hal. 24


42

Tugas Akhir

1. Atas dasar gerakan bantalan terhadap poros a. Bantalan luncur. Pada bantalan ini terjadigesekan luncur antara poros dan bantalan karena permukaan poros ditumpu oleh permukaan bantalan dengan perantaraan lapisan pelumas. b. Bantalan gelinding. Pada bantalan ini terjadi gesekan gelinding antara bagian yang berputar dengan yang diam melalui elemen gelinding seperti bola (peluru), rol atau rol jarum, dan rol bulat. 2. Atas dasar arah beban terhadap poros a. Bantalan radial. Arah beban yang ditumpu bantalan ini adalah tegak lurus sumbu poros. b. Bantalan radial. Arah beban bantalan ini sejajar dengan sumbu poros. c. Bantalan gelinding khusus. Bantalan ini dapat menumpu beban yang arahnya sejajar dan tegak lurus sumbu poros. 2.10. Hulling ( Pemecahan Kulit Tanduk) Kopi Buah kopi biasanya dipasarkan dari petani dalam bentuk kopi beras, yaitu kopi kering ynag sudah terlepas dari daging buah dan kulit arinya. Hulling bertujuan untuk memisahkan biji kopi yang sudah kering dari kulit tanduk dan kulit ari. Pengolahan buah kopi dilakukan melulai dua cara, yaitu cara basah dan kering.


43

Tugas Akhir

Pengolahan basah memerlukan modal besar, tetapi prosesnya lebih cepat dan mutu yang dihasilkan lebih baik. Oleh karena itu, pengolahan basah banyak dilakukan oleh PTP (PT Perkebunan), perkebunan swasta yang cukup besar. Pengolahan kering sangat cocok untuk lahan yang tidak terlalu luas atau kelompok petani yang mengolah perkebunannya dengan dana yang minim karena alatnya sederhana dan biaya investasi murah.

210.1 Hulling pada Pengolahan Basah Pemisahan dilakukan dengan mesin huller yang mempunyai bermacam – macam tipe, tetapi yang paling sering digunakan di perkebunan besar adalah tipe engelberg (gambar.2.20) kapasitasnya cukup besar ( sekitar 10 kg kopi beras/jam ).

Gambar 2.20. Sketsa Huller tipe Engelberg(39)

39 Univ. Mercu Buana Najyati, Sri. Kopi budi daya dan penanganan pascapanen/Sri Najyati, Danarti. Fakultas Teknologi Industri Cet. 13. Jakarta : Penebar Swadaya, 2004. hal. 134 Teknik Mesin

44

Tugas Akhir

Cara mengoperasikan mesin huller sebagai berikut : ¾ Diamkan kopi yang sudah dikeringkan selama 21 – 24 jam, kemudian masukkan kedalam mesin huller melalui corong. ¾ Gerakkan silinder agar biji kopi tergilas oleh “gigi – giginya” sehingga kulit terlepas. Diperlukan ketelitian dalam menyetel kecepatan (RPM) dan kerapatan silinder. Bila silinder terlalu rapat, banyak kopi yang pecah, tetapi bila terlalu longgar banyak kopi yang tidak terkupas. Di dalam mesin huller, kulit yang sudah terlepas dari biji akan dihembuskan ke luar sehingga biji ke luar dari mesin dalam keadaan bersih. Kopi yang keluar dari huller adalah kopi beras yang siap disortasi untuk diklasifikasikan mutunya.

2.10.2. Hulling pada Pengolahan Kering Hulling pada pengolahan kering agak berbeda dengan hulling pada pengolahan basah. Hulling pada pengolahan kering bertujuan untuk memisahkan biji kopi dari kulit buah, kulit tanduk, dan kulit ari. Hulling menggunakan mesin pengupas ( huller ). Kebiasaan petani mengupas kulit dengan cara menumbuk harus dihilangkan yang sering digunakan adalah huller putar tangan ( manual ), huller penggerak motor, dan hummermill ( mesin giling palu/mesin pengolah kopi mini ). Kapasitas huller bermacam – macam, berkisar antara 60 – 120 kg gelondong kering/jam. Hummerill yang mempunyai tangan pemukul 18, kapasitasnya sekitar 60 kg (gambar 2.21). Namun, bila tangannya


45

Tugas Akhir

ditambah menjadi 36, kapasitasnya bisa dua kalli lipat pula, yaitu 120 kg/jam. Cara pengoperasian mesin huller tidak sulit. Pertama, mesin digerakkan, lalu kopi gelondong dimasukkan melalui corong pemasukan. Di dalam mesin kulit buah kopi akan terkelupas. Kulit akan terpisah dari bijinya dan keluar melalui lubang yang berbeda. Bila seluruh kulit belum terkupas, kopi harus dikumpulkan dan dimasukkan lagi ke huller hingga seluruh kulit terkupas.

Gambar 2.21. Sketsa Hummermill40

40 Univ. Mercu Buana Najyati, Sri. Kopi budi daya dan penanganan pascapanen/Sri Najyati, Danarti. Fakultas Teknologi Industri Cet. 13. Jakarta : Penebar Swadaya, 2004. hal. 140 Teknik Mesin

46

Tugas Akhir

BAB III PERENCANAAN TURBIN AIR SEDERHANA

3.1.

Tahapan Perencanaan

3.1.1. Pengumpulan Data Pengumpulan data utama merupakan kegiatan pertama untuk merencanakan sebuah turbin air, data yang tepat harus diperlukan untuk perencanaan yaitu head statis yang bisa digunakan debit aliran dan kondisi geografisnya. Pengukuran head statis dilakukan dengan mengukur beda ketinggian kedua permukaan air yaitu air sebelum jatuh dari waduk dan sesudah jatuh. Karena kondisinya yang baik yaitu dengan mengukur jarak vertikal kedua permukaan dan setelah diukur didapat : H = Tinggi air jatuh (5 meter) Q = Debit air (0.15 m3 / det )


47

Tugas Akhir

Dengan mengetahui tinggi air jatuh (H), dan debit air (Q) maka dapat

digunakan

untuk

memperoleh

kecepatan

spesifik

yang

dihasilkan turbin untuk menentukan pemilihan jenis turbin. Kapasitas aliran air akan menentukan luas penampang salurannya (A), yang berhubungan dengan diameter roda turbin dan berpengaruh juga terhadap besarnya U. Dimana :

U = Kecepatan tangensial roda turbin A = Luas penampang saluran.

3.1.2. Pemilihan Tipe Turbin Air Langkah pertama yang harus diambil dalam pemilihan tipe turbin air ini adalah dengan menghitung kecepatan spesifik turbin (nq). Selanjutnya rumus umum dari kecepatan spesifik adalah sebagai berikut :

nq =

n Q ……………………………………………..(1) 34 H

dimana: nq

= Kecepatan spesifik (rpm)

n

= Kecepatan turbin (rpm)

Q

= Debit air (m3/det)

H



48

Tugas Akhir

1

Pfleider, Stromungsmachinen, Springer – Verlag Maka: (Berlin : Götingen/Heidelberg, 1957), hal. 58

n = 500 rpm (direncanakan) jadi didapat kecepatan spesifiknya adalah :

nq =

500 0,15 53 4

n q = 57,86 rpm Dengan

mengetahui

kecepatan

spesifik

dan

daerah

penggunaan maka jenis turbin air dapat dipilih. Maka turbin air yang dipilih dalam perencanaan ini adalah turbin aliran Ossberger.


49

Tugas Akhir

Keterangan : (1). Pipa pesat (2). Sudu pengarah (3). Turbin (4). Bantalan (5). Transmisi (6). Pengupas kulit Kopi Gambar 3.1 Skema Turbin dan Transmisi


50

Tugas Akhir

3.2

Perhitungan Karakteristik Turbin

3.2.1. Efisiensi energi yang dibangkitkan - Efesiensi Volumetris (ηv) Qe= ηv . Q……………………………………………..(2) Dimana : ηv = Efesiensi Volumetric, diambil sebesar 0,97 Qe = Kapasitas air yang bekerja pada roda jalan Q = Kapasitas air yang dimasukkan (debit air)

- Efesiensi Hidrolis ηh : Hat = ηh . H………………………………………….(3) Dimana : ηh = effesiensi hidrolis, diambil sebesar 0,92 Hat = Head actual Turbine H = Head mula-mula

- Efesien mekanis Nef = ηm . Nh……………………………………………………………(4) Dimana : Nef = daya output efektif ηm = Efesiensi mekanis, diambil sebesar 0,95 Nh = Daya output hidrolis


51

Tugas Akhir

- Efesien total 2

Streeter, Victor L. Fluid Mechanics Ninth Edition, (United States : The McGraw – Hill Companies, 1998), hal. 516 ηt = ηv . ηh . ηm…………………………………………………………………(5) 3 Ibid, hal. 516 4 Ibid, hal. 516

= 0,97 x 0,92 x 0,95 = 0,84778 ≈ 0,85 = 85 %

3.2.2 Daya Turbin N =η T

γQH 75

, PS …………………………………………(6)

Dimana : γ = berat jenis air (998,3 Kg/m3) pada suhu 20O…………..(7) Q = kapasitas air (0,15 m3/detik) H = tinggi air jatuh (5 meter) ηT = efesiensi turbin air direncanakan (85%)

N = 0,85

998,3 x0,15 x5 75

= 8,485 PS ≈ 8,5 PS =

8,5 1,36

= 6,25 kW


52

Tugas Akhir

3.2.3 Tinggi air jatuh yang Hilang (HL) 5

Ibid, hal. 517 (8) Aris munandar Turbin, edisi kedua, Bandung: ITB, Hat Wiranto, = ηh . Penggerak H = H - Mula: HL …………………………………….. 1997. hal. 66 7 K. Gieck; Kumpulan Rumus Tekn k (Jakarta: Pradya Paramita, 1997), hal. 214 6

Hat = 0,92 x 5 = 4,6 m maka, HL = 5 – 4,6 = 0,4 m

3.3

Analisa Segitiga Kecepatan Pada segitiga kecepatan tergambar dibawah ini, vektor-vektor U

dan W mengapit sudut β sedangkan C dan U mengapit sudut α seperti dibawah ini.


53

Tugas Akhir

Gambar 3.3 Segitiga kecepatan pada runner dengan sudut sekeliling 8

Streeter, Victor L. Fluid Mechanics Ninth Edition, (United States: The McGraw – Hill Companies, !998, hal. 516

Dimana

¾ Kecepatan putaran turbin (n) = 500 rpm ¾ Kecepatan spesifik turbin (nq) = 57,86 rpm

3.3.1 Kecepatan air keluar/kecepatan absolut (C1) C1 =

2 gH (kecepatan air keluar) …………………………..(9)

C1=

2 x9,8 x5

C1 = 9,899 m/detik

3.3.2. Kecepatan keliling masuk tingkat pertama (U1) U1 =

C1 …………………………………………………………..(10) 2

U1 =

9,899 2

U1 = 4,9495 m/det

3.3.3. Diameter luas sudut jalan (D1) D1 =

60 . u1 ………………………………………………………(11) π.n

D1 =

60 x 4,9495 3,1x500

D1 = 0,189 m


54

Tugas Akhir

9

3.3.4. Diameter nominal (d)

Fritz Dietzel, Dakso Sriyono, Turbin Pompa dan Kompresor, (Jakarta, Erlangga, 1993), hal. 18 10 Ibid, hal. 261 − sin α 1 11 D1 …………………………………………..(12) dIbid, = hal. 20

2. cos β (1 + sin α 1 )

=

1 − sin 16 O 0,189 2. cos 30 O (1 + sin 16 O )

=

0,75 0,189 = 0,064 m 2,2


55

Tugas Akhir

Gambar 3.4. Roda Jalan Dari gambar 4.2 bahwasanya kecepatan reletif meninggalkan 12

Giles, Ranald V, Schaum’s outline of Theory and Problems of Fluid nd Mechanics Hydraulics, 2 edition, McGrawsumbu Hill, 1956, hal. 319 sudut and dengan arah menuju lingkaran

(β2 = 90O) sehingga

∠ OAO’ = 90O. maka : ∆ OAO’ = R2 = R22 + r2 ∆ OBO’ = R2 = R12+r2 – 2. R1 . r. cos β1 (aturan cos) jadi : R22 + r2 = R12 + r2 – 2. R1 . r. cos β1 R22 = R12 – 2. R1 . r. cos β1 Misalkan :

R2 =X R1 Dengan mensubstitusikan persamaan di atas ini dengan : (X . R1)2 = R12 – 2. R1. r . cos β1 X = 1−

= 1−

2.r. cos β 1 R1

2.d . cos β 1 R1

3.3.5. Sudut relatif tingkat pertama Tg β1 = 2 tg α1 Dimana : α1 = sudut absolut masuk tingkat pertama (untuk hasil yang optimum biasanya berkisar 14o – 20o) dipilih 16o tg β1 = 2 tg 16O Univ. Mercu Buana Fakultas Teknologi Industri Teknik Mesin

56

Tugas Akhir

β1 = 30O 3.3.6. Diameter dalam sudut jalan (D2) D2= X . D1 Dimana : X = 1−

= 1−

2.d . cos β 1 D1

2 x0,064 cos 30 O 0,189

= 0,646 Jadi : D2 = 0,646 x 0,189 = 0,122 m

3.3.7. Faktor Kecepatan (φ)

D1 .n

φ=

……………………………………………….(13)

84,6 H φ=

0,189 x500 84, ,6 5

= 189,1656

3.3.8. Kecepatan Satuan n11 =

=

n.D1

……………………………………………….(14)

H

500 x0,189 5

= 42,26 rpm Univ. Mercu Buana Fakultas Teknologi Industri Teknik Mesin

57

Tugas Akhir

13

O.F. Patty. TenagaSatuan Air, (Jakarta, Erlangga, 1995), hal. 93 3.3.9. Debit

14

Ibid, hal. 93

Q11 =

=

Q D1

2

……………………………………………….(15)

H

0,15 (0,189) 2 5

= 1,875 m3/det

3.3.10. Daya Satuan N

N11 = D1

=

2

H3

……………………………………………..(16)

6,25 (0,189) 2 5 3

= 1,528 kW

3.4

Perhitungan Pergerakan (runner)

3.4.1. Kecepatan Putaran Penggerak pada Titik Jatuh Air (1) Dimana : Kecepatan air keluar (C1)= 9,899 m/det Maka : Cu1 = C1. cos α1 Dimana α1 = 16O ………………………………………………….(17) Cu1 = 9.899 cos 16O = 9,5 m/det


58

Tugas Akhir

3.4.2. Kecepatan putaran Penggerak pada Titik Jatuh Air (2) 15 16 17

Ibid, hal. 93 Ibid, hal. 94 Ibid, hal. 8 = Cu2

C2. cos α2

C2 = 0,528 . C1……………………………………………(18) = 0,528 x 9,899 = 5,23 m/det Cu2 = 5,23. cos α2 tan α2 =

1,147 w1 ………………………………………….(19) u1

dimana :

-

Cm1 = C1 sin α1 (kecepatan aliran pada titik pertama) = 9,899 sin 16O = 2,728

-

W1 =

C m1 sin β 1

=

2,728 0,5

= 5,456 m/det

-

U1 =

C1 = 4,9495 m/det 2

maka : tan α2 =

1,148 x5,456 4,9495

tan α2 = 1,265 α2 = 51,67O


59

Tugas Akhir

18

Ibid, jadi : hal. 14 19 Ibid, hal. 14

Cu2 = 8,097 x cos 51,67O = 5,021 m/det

3.4.3. Kecepatan aliran pada Titik 2 Cm2 = C2. sin α 2 = 5,23 x sin 51,67O = 4,103 m/det

3.4.4. Kecepatan putaran penggerak pada titik jatuh air (3) Dari gambar segitiga kecepatan di atas dan untuk kondisi impuls murni, maka diperoleh hubungan : α2 = α3 C2 = C3 Cu2 = Cu3 Maka α3 = 51,67O C3 = 5,23 m/det Cu3 = 5,021 m/det 3.4.5. Kecepatan putaran penggerak pada titik jatuh air (4) Cu4 = C4 cos α4 = 2. u1 – C1 cos α1 = 2 x 4,9495 – 9,899 cos 16O


60

Tugas Akhir

= 0,38 m/det 3.4.6. Perhitungan Kecepatan Aliran dan Kecepatan Keliling Kecepatan aliran titik (1) Cm1 = 2,728 m/det Kecepatan aliran titik (2) Cm2 = 4,103 m/det Kecepatan aliran (3) Cm3 = C3 sin α3 = 5,23 sin 51,67O = 4,103 m/det Kecepatan aliran titik (4) Cm4 = C4 sin α3 C4 sin α3 = 2 (1/2 C1 cos α1) – C1 cos α1 = 0 (tidak mungkin) Hal ini berarti C4 = 0 atau

cos C4 = 0

dengan demikian α4 = 90O maka:

: Cm4 = 0 sin 0 = 0 m/det

Kecepatan keliling masuk tingkat (1) U1 = 4,9495 m/det


61

Tugas Akhir

Kecepatan keliling masuk tingkat (2) D2 =

60.U 2 π .n

60.U2 = 2. π . n U2 =

U2 =

2. π . n 60` 0,122 x3,14 x500 60

U2 = 3,192 m/det Kecepatan keliling masuk tingkat (3) U2 = C3 C3 = 3,192 m/det Kecepatan keliling masuk tingkat (4) U1 = C4 C4 = 4,9495 m/det


62

Tugas Akhir

TABEL 3.1. KECEPATAN DAN ALIRAN AIR PADA SUDU BIDANG

αO

βO

U

C

1

16

30

4,9495

9,899

2

51,67

90

3,192

5,23

3

51,67

90

3,192

5,23

4

90

30

4,9495

0

BIDANG

W

Cu

Cm

1

5,456

9,5

2,728

2

4,103

5,021

4,103

3

4,103

5,021

4,103

4

5,456

0,38

0

3.4.7. Pembangkitan Daya Tiap Tingkat Untuk tingkat pertama adalah : N1 = γ . Q . (2U1 – U22) = 998,3 x 0,15 (2 x 4,94952 – 3,1922) = 5811,00447 watt = 5,8 kW Daya teoritis yang dihasilkan turbin pada tingkat kedua : N2 = γ . Q . (U2)2 = 998,3 x 0,15 x 3,192)2 = 1525,73 watt = 1,525 kW


63

Tugas Akhir

Dengan demikian presentase pembangkitan daya tiap tingkat adalah : N1 =

=

γ . Q . (2U 1 2 − U 2 2 ) 2 . γ . Q .U 1

2

x 100%

99,8 x0,15 (2 x7,9495 2 − 3,192 2 ) 100% 2 x99,8 x0,15 x 4,9495 2

= 79,20% dan, N2 =

=

γ . Q .U 2 2 x 100% 2 2 . γ . Q .U 1 99,8 x0,15 x3,192 2 ) 100% 2 x99,8 x0,15 x 4,9495 2

= 20,795 % 3.5.

Perhitungan Dimensi Turbin


64

Tugas Akhir

Gambar 3.5 Sudu Roda Jalan 3.5.1. Kedudukan sudu roda jalan R = R2 + r 2 2

Dimana : - R2 =

=

D2 2

0,122 2

= 0,061 m = 61 mm -r =

=

d 2 0,064 2

= 0,032 m = 32 mm Maka : -R=

(61) 2 + (32) 2

=

3721+ 1024

= 68,88 mm sin δ =

=

r R

32 68,88

= 0,465 δ = 27,71O


65

Tugas Akhir

- Dari ∆ OBO’ : O’B2 = OB2 + OO’2 - . OB.OO’. cos δ1 r2 = R12 + R2 – 2 . R1 . R . cos δ1 R1 + R 2 − r 2 2 . R1 . R 2

cos δ1 = dimana

:

R1 =

=

D 2 0,189 2

= 0,0945 m = 94,5 mm maka : cos δ1 =

(94,5)2 + (68,88)2 − 32 2 2 x94,5 x68,88

= 0,972 δ1= 13,591O dan : δ2 = δ - δ1 = 27,71O – 13,591O = 14,119O - Dari ∆ OAB : AB2 = OA2 + OB2 – 2. OA . OB . cos δ2 = R22 + R12 – 2 . R2 . R1 . cos δ2 AB =

(61) 2 + (94,5) 2 − 2 x61x94,5 cos 14,119


66

Tugas Akhir

= 38,35 mm - Dari ∆ OBO’ : ε+

φ 2

= 180O – β1 – δ1

ε = 180 – 30 – 13,591 -

73,62 2

= 99,599O

- Dari ∆ OCO’ OC2=OO’2+CO’2 – 2 . OO’ . CO” . cos ε R32 = R2 + r2 – 2 . R . r . cos ε R3 =

(68,88) 2 + (32) 2 − 2 x68,88 x32. cos 99,599

= 80= 6445 mm

3.5.2 Jumlah sudu Z=

π . D1 . sin β 1 ………………………………………….(20) τ .s + t

Dimana : Z = jumlah sudu D1 = Diameter luar roda jalan = 0,189 m β1 = 30O

τ=

tebal aliran 1 = panjang aliran 2,5


67

Tugas Akhir

s = panjang rata-rata aliran antara dua sudu 20

Priyani V.B. Hydraulyic and Hydraulic Machinery, (Charotar Book Stall, India), 1967 hal. 168

= 0,00872 . d . Φ

= 0,00872 x 0,064 x 73,62 = 0,0411 m t = tebal sudu jalan = 0,007 m Maka : Z=

3,14 x0,189 x sin 30 0,4 x0,0411 + 0,007

= 12,659 = 12 buah 3.5.3. Jarak antar sudu


68

Tugas Akhir

Gambar 3.6. jarak antar sudu Besar antar sudu :(21) Ω=

360 Z

=

360 12

= 30O Maka jarak antar sudu: (22) SO =

=

π . D1 Z

3,14 x0,189 12

= 0,049 m = 49 mm 3.5.4. Sudut Pancar


69

Tugas Akhir

Gambar 3.7. Sudut Pancar 21

Ibid,gambar hal. 169 4.4. terlihat bahwa : Dari

22

Ibid, hal. 169

S = AC – BC Dimana : AC = OC . tg φ = OC . tg (90 + θ/2 – γ) Sedangkan : OC = R1 . cos ξ = R1. cos (90 – θ/2) Maka : AC = R1 . cos (90 – θ/2) . tg (90 + θ/2 – γ) BC = R1. sin ξ = R1. sin (90 – θ/2) Jadi : S = R1 [cos (90 – θ/2). Tg (90 + θ/2 - γ) – sin (90 – θ/2) Dimana : - S = K . D1 K = 0,075 s/d 0,3 (diambil K = 0,1) S = 0,1 x 189 = 18,9 mm - R1 = D1 / 2 = 189 / 2 = 94,5 mm


70

Tugas Akhir

Dengan demikian maka : cos (90 – θ/2) . tg (90 + θ/2 – γ) – sin (90 – θ/2) = S/R1 = 18,9 / 94,5 = 0,2 mm Dengan cara coba-coba (trial and error) didapat harga-harga sebagai berikut : θ = 38O dan γ = 34,78O 3.5.5. Pipa Pancar

Gambar 3.8. Lengkung Pipa Pancar


71

Tugas Akhir

Dari gambar 4.5 lintasan air, terlihat bahwa : tg α1 =

dr r . dθ

tg α1 . dθ =

dr r

dengan mengitegrasikan persamaan diatas, maka didapat : In (r/R1) = θ . tg. α1 dengan demikian : r = R1 . e θ. tg . α1 Persamaan tersebut diatas adalah persamaan pipa pancar, dimana : R1 = 94,5 mm e = 2,72 α1 = 16O θ = sudut pancar = 38O = 0,663 radian r = 94,5 . 2,720,663 . tg 16 = 94,5 . 2,720,19 = 114,288 mm 3.5.6. Lembar lingkran sudu a = 0,17 D1 ………………………………………………………………………..(23) = 0,17 x 0,189 = 0,032 m


72

Tugas Akhir

4

3.5.7. Lebar Penggerak (runner)


Untuk perhitungan lebar penggerak dapat diperhatikan gambar di bawah ini.

Gambar 3.9 Lebar dan Luas Penampang Pemasukan Turbin 3.5.8. Luas penampang pemasukan air L=

=

2 R1π .φ ………………………………………………(24) O 360

2 x94,5 x3,14 x73,62O 360O

= 121,36 mm Univ. Mercu Buana Fakultas Teknologi Industri Teknik Mesin

73

Tugas Akhir

= 0,121 m 3.5.9. Panjang busur pemasukan Ibid, hal. 21

24

bo.D1 .π .φ O . 2 gH sin α 1 Q= ……………………………(25) 360 bo=

360 .Q D1 .π .φ . 2 gH sin α 1 O

=

360 x0,15 0,189 x3,14 x73,62 O x 2 x9,8 x5 sin 16

=

54 227,0569

=0,2378 m = 2378 mm 3.5.10 Lebar roda jalan : b=

Q L .Cu1

dimana : Q = 0,15 m3/det Cu1 = 9,5 m/det Maka : b=

0,15 0,121x9,5

= 0,1305 m = 1305 mm


74

Tugas Akhir

3.6 Perhitungan Kekuatan Sudu Ibid, hal. 22

25

Gambar 3.10 Kelengkungan Sudu 3.6.1 Gaya berat sudu jalan As=

φ .π 360

(r1 − r2 ) 2

2

Dimana : r1 = jari-jari luar pipa = 33,6 (dipilih untuk tebal sudu = 7 mm) r2 = jari-jari dalam pipa


75

Tugas Akhir

= 26,4 mm maka: As =

73,62 x3,14 (33,6 2 − 26,4 2 ) 360

= 277,344 mm2 = 2,77.10-4 m2 3.6.2. Volume sudu jalan Vs = As . b Dimana : Vs = 2,77.10-4 . 0,1305 = 0,36.10-4 m3 3.6.3. Berat sudu jalan Ws = ρ . g . Vs Dimana : ρ = 7,85 . 103 kg /m3 (massa jenis karbon rendah) g = 9,81 m/det2 maka : Ws = 7,85 . 103 x 9,81 x 3,36 . 10-4 = 2,77 N 3.6.4 Perhitungan Gaya Aksial (Fa) 2 2 Fa = π ( D1 − D2 ).H .γ . 1 4 Z

Dimana : Fa = Gaya aksial D1 = Diameter luar sudu jalan = 0,189 m


76

Tugas Akhir

D2 = Diameter dalam sudu jalan 0,122 m H = Tinggi air jatuh = 5 m γ=998,3Kg/m3 Z = Jumlah sudu = 12 buah Fa = π (0,189 2 − 0,122 2 ).5.998,3. 1 4 12 = 6,798 N, untuk masing-masing sudu. 3.6.5. Perhitungan Gaya Sentrifugal Fc=m.ω2.r3…………………………………………………(26) dimana:

:

m = massa sudu jalan = Ws/g =

2,77 = 0,282 N 9,81

ω = kecepatan sudut = 2 . π . n . 1/60 = 2 x 3,14 x 500 x 1/60 = 52,33 rad/sec r3 = jari-jari pusat titik berat sudu = 74,48 mm = 0,0744 m Maka ; Fc = 0,282 x 332 x 0,07448 = 57, 516 N


Tugas Akhir

77

3.6.6. Gaya Impuls 12

Giles, Ranald V, Schaum’s outline of Theory and Problems of Fluid Mechanics nd and Hydraulics, 2 edition, McGraw Hill, 1956, hal. 317


78

Tugas Akhir

Gambar 3.11 poligon Gaya di tingkat 1 Pada gambar 4.7. arah sumbu X C1x = C1 . sin (α1 – δ2) = 9,899 . sin (16 – 14,119) = 0,3249 m/det C2x = C2 . sin α2 = W2 = 5,23. sin 51,57 = 4,103 m/det Maka : Fx = γair . Q. (C1x – C2x) = 998,3 x 0,15 (0,3249 – 4,1027) = - 565,7 N (tanda minus menyatakan arah gaya Fx berlawanan arah yang digambar) Pada arah sumbu Y : C1y = C1 . cos (α1 – δ2) = 9,899 . cos (16 – 14,119) = 9,894 m/det C2y = C2 . cos α2 = U2 = 5,23. sin 51,57 = 3,244 m/det Maka : Fy = γair . Q. (C1y – C2y) = 998,3 x 0,15 (9,894 – 3,244) = 995,8 N


79

Tugas Akhir

Jadi gaya impuls total yang terjadi pada setiap sudu ditingkat 1 adalah: Ft1 = =

Fx + Fy 2

2

(−565,7) 2 + (995,8) 2

= 819,513 N

Gambar 3.12 Poligon Gaya di tingkat 2


80

Tugas Akhir

Pada gambar 4.8. arah sumbu X : C3x = C3 cos α3 = Cu3 = 5,021 m/det C4x = C4 . cos (α4 – δ2) = 0 . cos (90 – 14,119) = 0 m/det Maka : Fx = γair . Q . (C3x + C4x) = 998,3 x 0,15 (5,021 + 0) = 751,869 N Pada arah sumbu Y : C3y = C3 sin α3 = W3 = 4,103 m/det C4y = C4 . sin (α4 – δ2) = 0 . sin (90 – 14,119) = 0 m/det Maka : Fy = γair . Q . (C3y + C4y) = 998,3 x 0,15 (4,103 + 0) = 614,4 N Jadi gaya impuls total yang terjadi pad setiap sudu di tingkat 2 adalah : Ft2 = =

Fx + Fy 2

2

751,869 2 + 614,4 2 Univ. Mercu Buana Fakultas Teknologi Industri Teknik Mesin

81

Tugas Akhir

= 970,976 N Dengan menganggap bahw gaya implus terjadi pada titik berat sudu, maka gaya total yang terjadi pada sudu adalah :

Ft1 = Fi1 + Fc = 819,513 + 57,516 = 877,029 N

Ft2 = Fi2 + Fc = 970,976 + 57,516 = 1028,492N Dari hasil perhitungan diatas maka untuk pembebanan pada sudu, diambil harga gaya implus pada tingkat 1.

3.6.7. Kekuatan Sudu Jalan Sudu-sudu terpasang pada 2 buah flens dengan cara dijepit, dan untuk menyederhanakan perhitungan, maka dianggap gaya total yang terjadi pada sudu adalah tegal lurus pada lebar sudu dan berimpit dengan titik beratnya. Maka pembebanan terdistribusi merata yang terjadi pada sudu adalah : q=

=

F b

877,029 N 130,5 mm

= 6,721

N

mm


82

Tugas Akhir

3.6.8. Gaya geser maksimum : Vmaks = ½ . q . b =

F 2

=

877,029 2

= 438,515 N 3.6.9 Tegangan geser yang terjadi :

τ=

=

Vmaks As 438,515 N 277,344 mm 2 N

= 1,58

mm 2

Bahan yang dipakai adalah baja Karbon rendah standar St 3, dengan kekuatan tarik maksimum σu = 363 N/mm2, tegangan yield σy = 196 N/mm2, maka tegangan ijinnya : σijin =

196 = 98 N/mm2 2

Ternyata tegangan geser yang

terjadi masih dibawah tegangan

ijinnya, dengan demikian maka dapat diperhitungkan bahwa tegangan tersebut aman.


83

Tugas Akhir

BAB IV PERHITUNGAN PERENCANAAN KOMPONEN UTAMA

4.1 Perhitungan Puli dan V-Belt 4.1.1 Sabuk transmisi Sabuk transmisi adalah alat yang berfungsi untuk memindahkan daya dan putaran poros melalui satu atau lebih puli secara elastis. Untuk turbin ini digunakan sabuk-V Data perencanaan untuk sabuk ini adalah : Daya yang ditransmisikan Putaran poros mesin huller

: (N) 6,25 kW : n1 = 1500 rpm (diasumsikan, karena poros

sebelumnya

memakai

tangan) Putaran poros turbin

: n2 = 500 rpm Univ. Mercu Buana Fakultas Teknologi Industri Teknik Mesin

84

Tugas Akhir

4.1.2 Rasio Kecepatan(1)

n1 n2

i=

=

1500 500

=3 =

Dp dp

Dimana: Dp = diameter puli turbin dp = diameter puli mesin huller

Gambar 4.1 Dimensi utama sabuk dan puli

1

Dobrovolsky V, Machine Elements A text Book, translated from The Russian by A. Troisky, (Moscow, Peace Publishers),1989


85

Tugas Akhir

4.1.3 Diameter puli Maka dari lampiran 15

(2)

untuk jenis puli jenis B, maka diameter

puli penggiling yang dianjurkan adalah : d = 125 mm sehingga dengan demikian, maka diameter puli turbin : D = 3 .d = 3 x 125 = 375 mm ¾ Daya rencana Pd = 1,4 x N ……………………………….(3) = 1,4 x 625 = 8,75 kW Dengan faktor koreksi fc untuk mesin pengupas kopi dengan jam kerja 8-10 jam/hari, maka fc = 1,4 ¾ Momen rencana ……………………………………………(4) T1 = 9,74 x 105 x ⎛⎜ Pd ⎞⎟ ⎝ n1 ⎠ ⎞ = 9,74 x 105 x ⎛⎜ 8,75 500 ⎟⎠ ⎝

= 0,17 x 105 kg.mm

T2 = 9,74 x 105 x ⎛⎜ Pd ⎞⎟ ⎝ n2 ⎠ ⎞ = 9,74 x 105 x ⎛ 8,75 1500 ⎠ ⎝

= 0,057 x 105 kg.mm

2

Univ. Mercu Buana Sularso dan Suga Kiyokatsu, Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin, Fakultas Teknologi Industri (Jakarta, PT. Pradnya Paramita), 1983,hal. 169. 3 Teknik Mesin Ibid, hal. 176 4 Ibid, hal. 176

86

Tugas Akhir

4.1.4 Kecepatan sabuk : (5) v1=

=

π .d .n1 60.1000

π .0,375.500 60

= 9,8 m

s

4.1.5 Panjang sabuk (6) L=

⎛ sin 2 γ ⎞ D p ⎟+ (π − 2) + 2C ⎜⎜1 − (π + 2γ ) 2 2 ⎠ 2 ⎝

dp

= 2C

π 2

(d p + D p ) + γ ( D p − d p ) 2 − C sin 2 γ

Oleh karena : γ ≈ sin γ = (Dp – dp) / 2C maka L = 2.C +

π .(D + d )

= 2.1,23 +

2

2 ( D −d) +

4.C

π (0,375 + 0,125) 2

2 ( 0,375 − 0,125) +

4.1,23

= 3,258 m = 3258 mm Berdasarkan lampiran 13(7) panjang sabuk-V standar Nomor nominal sabuk-V : No. 129 = 3277 mm

5

Khurmi R.S and Gupta J.K, A Text Book of Machine Design, third edition, (New Delhi, S. Chand & Company LTD), 1982. 6 Sularso dan Suga Kiyokatsu, Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin, (Jakarta, PT. Pradnya Paramita), 1983,hal. 168 7 Ibid, hal. 168


87

Tugas Akhir

4.1.6 Jarak antar poros minimum : (8) b + b 2 − 8( D p − d p ) 2

C=

8

Dimana : b = 2L – 3,14 (Dp – dp)2 maka b = 2 x 3277 – 3,14 (375 – 125) = 5769 mm C=

5769 + 5769 2 −8(375 − 125) 2 8

= 1436,8 mm ¾ Dengan demikian maka jarak antar poros yang sebenarnya adalah : C
A2 + B ………………………………………….(9)

Dimana : A=

=

L π .( D + d ) − 4 8 2540 π .(0,375 + 0,125) − 4 8

= 613,65 mm2 ≈ 0,6 m2 Dan B=

=

(D − d ) 8 0,375 − 0,125 8

= 0,03 m 8 9



88

Tugas Akhir

Dimana : B = lebar puli Maka didapat jarak poros sebenearnya : 0,6 2 + 0,03

C< 0,6 +

< 1,23 m = 1230 mm Jadi jarak poros yang sebenarnya C=1230 mm dan jarak poros yang telah disesuaikan dengan panjang belt yang distandarkan C = 1436,6 mm, jadi untuk memudahan mendapatkan panjang belt yang ada dipasaran maka jarak sumbu poros yang dipakai C=1436,8 mm

Gambar 4.2 Gaya-Gaya pada Sabuk Transmisi 4.1.7 Sudut kontak pada puli turbin (10) 57,3 ( D − d ) C

α1= 180 +

= 180 +

57,3(0,375 − 0,125) 1,6

= 188,9O 10

Sularso dan Suga Kiyokatsu, Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin, (Jakarta, PT. Pradnya Paramita), 1983,hal. 176


89

Tugas Akhir

4.1.8. Sudut kontak puli pengupas kopi (11) 57,3 ( D − d ) C

α1= 180 -

= 180 -

57,3(0,375 − 0,125) 1,6

= 171,1O

4.1.9. Daya aktual tiap sabuk Faktor koreksi Kθ = 0,99 Service factor kerja ringan = 0,83 Po = 6,25 . 0,99 . 0,96 . 0,83 = 4,9 kW 4.1.10. Jumlah sabuk yang dibutuhkan : N=

=

Pd PO xKθ

8,75 4,9 x0,96

= 1,86 Dengan demikian, maka jumlah sabuk yang dibutuhkan = 2 buah

4.1.11 Gaya gaya pada sabuk F1-F2 =

=

P .1000 N .V 6,25.1000 2 .9,8

= 318,8 N 11

Ibid, hal. 176


90

Tugas Akhir

Dimana : F1 = gaya pada sabuk yang kencang F2 = gaya pada sabuk yang kendur P = daya yang ditransmisikan N = jumlah sabuk V = Kecepatan F1 = e μ . α1 . F2 Dimana : μ = koefesien gesek antara sabuk dan puli = 0,5 α1 = sudut kontak pada puli penggiling = 171,1O = 2,98 rad F1 = 2,718 0,5 . 2,98 . F2 = 4,43 . F2 Maka : 4,43 . F2 = 318,8 N F2 = 92,94 N

4.2

Perhitungan Poros

4.2.1. Penentu Dimensi Poros Pada poros diberi sedikit tangga untuk tempat puli, juga alur pasak untuk tempat pasak penetapan puli dan roda jalan, sehingga faktor keamanannya : Sf1 = 6,0

Sf2 = 2,0


91

Tugas Akhir

Dan faktor korelasi

untuk poros dengan beban lentur dan puntir

adalah: Kt = 1,5 untuk beban puntir dengan sedikit kejutan Cb = 1,0 untuk beban lentur dengan tumbukan ringan fC = 1,2 untuk daya maksimum yang diperlukan N = daya yang ditransmisikan = 6,25 kW n1= putaran poros turbin = 500 rpm 4.2.2. Daya yang direncanakan : (12) Nd = fC . P = 1,2 . 625 = 7,5 kW 4.2.3. Memen puntir (13) T = 9,74.105

= 9,74.105

Pd n1 7,5 500

= 1,46.105 kg.mm Bahan untuk poros dipilih baja paduan yaitu Baja Khrom Nikel SNCM 25 (JIS 4103) denga kekuatan tarik maksimum 120 N/mm2, maka tegangan geser yang diijinkan adalah : τ1 =

120 S f 1 .S f 2

=

120 6,0. 2,0

= 10 kg 12

mm 2

Shingley Joseph E dan Mitchell Larry D, Perencanaan Teknik Mesin, alih bahasa Ghandi Harahap, edisi keempat, (Jakarta, Erlangga), 1994. 13 Sularso dan Suga Kiyokatsu, Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin, (Jakarta, PT. Pradnya Paramita), 1983,hal. 176


92

Tugas Akhir

4.2.4 Diameter poros (14)

⎤ ⎡ 5,1 ds = ⎢ . K t .Cb .T ⎥ ⎦ ⎣τ a

13

⎡ 5,1 ⎤ = ⎢ .1,5 .1,0 .14600⎥ ⎣ 10 ⎦

13

= 22,35 mm ≈ 25 mm Anggaplah diameter bagian yang terjadi tempat bantalan adalah = 28 mm poros dibuat bertangga maka dipilih ds = 25 mm dan D = 28 mm

¾ Jari-jari poros bertangga (jari-jari fillet) r = (28 – 25)/2= 1,5 mm ¾ Faktor konsentrasi tegangan pada poros (15) b = ds/4 = 25/4 = 6,25 mm t = ds/8 = 25/8 = 3,125 mm maka alur pasak : 8 x 7 x fillet 0,4 kedalaman alur pasak pada poros t1 = 2,4 mm kedalaman alur pasak pada naf t2 = 2,5 mm

14 15

Ibid. Ibid.


93

Tugas Akhir

Gambar 4.3 ukuran pasak dan alur pasak r/ds = 1,5 / 25 = 0,06 D/ds = 28 / 25 = 1,12 Maka β = 1,3 dan α = 2,1

Karena α > β maka untuk pemeriksaan tegangan yang diijinkan dipakai harga α.

Tegangan geser poros tanpa alur bertangga dan alur pasak 5,1.T d3 5,1.16400 = = 5,4 Kg / mm 2 3 25

τ=


Tugas Akhir

94

Selanjutnya harga tegangan ijin poros bertangga beralur pasak dengan factor koreksi Sf2 dan α harus lebih besar dari tegangan ijin poros dengan factor koreksi Cb dan faktor bentuk KT.

τ a .Sf 1 > τ .C b .K T α

10.2 > 5,4.1,0.4,5 2

10 > 8,1

Karena

τ a .Sf 1 > τ .C b .K T , maka poros dengan diameter dan bahan yang α

digunakan dapat dipakai.

4.3.

Perhitungan Pasak Untuk meneruskan daya dari poros ke puli turbin, digunakan

pasak benam dengan bentuk penampang segi empat. Panjang pasak yang ditentukan tersebut sebaiknya berkisar antara 0,75 – 1,5 kali diameter porosnya, dan lebar pasaknya antara 0,25 – 0,35 kali diameter porosnya. Untuk pasak dengan diameter porosnya sebesar 48 mm, maka dipilih pasak dengan dimensi sebagai berikut :


95

Tugas Akhir

Gambar 4.4 Tegangan geser pada pasak

Lebar pasak : b = 8 mm Tinggi pasak : t = 6,4 mm Penampang pasak : b x h = 14 x 9 Panjang pasak lk = 0,75 x ds = 0,75 x 25 = 18,75 mm ¾ Gaya tangensial pada permukaan poros adalah : 16

Ft =

T d /2

Dimana : T = momen torsi pada poros d = diameter poros

16

Ibid.


96

Tugas Akhir

maka : Ft =

14600 25 / 2

= 1168 kg = 11,5 kN

Jika bahan pasak adalah baja S 45C, dengan tegangan tarik maksimum σB = 58 kg/mm2, dan Sf1 = 6, Sf2 = 2, maka : ¾ Tegangan geser yang diijinkan :

τ ka =

=

σB Sf1 .Sf 2

58 6,0.2,0

= 4,83 kg.mm

¾ Tegangan geser yang ditimbulkan : Dari tegangan geser yang diijinkan τka (kg / mm2), panjang pasak l1 yang diperlukan dapat diperoleh.

τ ka =

=

F b.l1 1168 ≤ 4,83 14.l1

Diperoleh l1 = 1168/67,62 = 17,27 mm


97

Tugas Akhir

¾ Tegangan permukaan pasak yang terjadi : Dengan diameter poros 25 mm, maka didapat : Kedalaman alur pasak pada poros (t1) = 2,4 Kedalaman alur pasak pada naf (t2) = 2,5

Harga Pa adalah sebesar 8 kg/mm2 untuk poros dengan diameter kecil dan 10 kg/mm2 untuk poros dengan diameter besar.

P=

F l 2 .(t1 atau.t 2 )

=

1168 ≤ 8,0 l 2 .2,5

l2 ≥ 58,4 mm

Maka harga terbesar dari l1 dan l2 diambil l = 58,4 mm lk = 18,75 mm b/ds = 8/25

= 0,32, 0,25<0,32<0.35, baik

b/ds = 18,75/25

= 0,75, 0,75<0,75<1.5, baik

ukuran pasak 8 x 7 panjang pasak yang katif : 18,75 mm Bahan pasak : S 45C, dicelup dingin dan dilunakkan


98

Tugas Akhir

4.4

Perhitungan Bantalan Bantalan yang digukanan pada perencanaan turbin ini ada

empat buah, masing-masing poros terdiri atas dua buah bantalan. Beban yang bekerja pada bantalan adalah gaya aksial, gaya aksial statis, dan beban radial (dalam hal ini gaya sentrifugal). Untuk itu dipilih bantalan rol kerucut baris tunggal dengan karakteristik seperti terdapat pada tabel 4.8. (17) Bantalan

rol

kerucut

berkemampuan

menerima

beban

gabungan baik untuk putaran sedang, ketahanan terhadap tumbukan tinggi, gesekan tinggi dan ketelitian tinggi

Gambar 4.5 Bantalan Rol Kerucut ¾ Dipilih rol kerucut dengan nomor 32305 ¾ Ukuran luar : d = 25 mm D = 62 mm T = 25,25 mm

17

Roloff Hermann / Matek Wilhelm, Maschinen Elemente, (Germany, Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH), 1976


99

Tugas Akhir

¾ Kapasitas nominal dinamis spesifik C = 51000 N ¾ Beban statis maksimum Co = 39000 N ¾ Putaran maksimum :

-

dengan pelumasan lemak n = 6000 rpm

-

dengan pelumasan oli n = 8000 rpm

Gambar 4.6. Dimensi Utama Bantalan


100

Tugas Akhir

4.4.1. Umur Bantalan Beban ekivalen dinamis yang terjadi : P = x . Fr + y . Fa ……………………….……………….(18) Dimana : Fr = Gaya radial pada bantalan = 0 Fa = Beban aksial pada bantalan x = Faktor beban radial = 1 untuk Fα/Fr ≤ e Y = Faktor beban aksial e = 0,33 ¾ Gaya tangensial pada permukaan poros adalah :(19) Ft =

T d /2

Dimana : T = momen torsi pada poros d = diameter poros maka : Ft =

14600 25 / 2

= 1168 kg = 11,5 kN

18

Roloff Hermann / Matek Wilhelm, Maschinen Elemente, (Germany, Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH), 1976 hal : 357, pers : 4.49 19 Ibid


101

Tugas Akhir

Gaya radial : Fr = Ft . tan 27 ………………………………………………….(20) = 11,5 x 0,509 = 5,86 kN

Gaya aksial : Fr = Ft . tan ψ ……………………..…………………………….(21) = 11,5 tan 45 = 11,5 kN

Maka e : e=

Fa 11,5 = = 0,29 ………………………………………………(22) 39 Co

e ≈ 0,27

dengan

Fa 11,5 = = 1,96245 > e = 0,27 v.Fr 1.5,86

Faktor v = 1, karena pembebanan pada cincin dalam yang berputar. Maka harga x = 0,56 dan y = 1,6 Maka didapat : P = 0,56 . 5,86 + 1,6 . 11,5 = 21,68 kN

20

Ibid Ibid 22 Ibid 21


102

Tugas Akhir

Faktor kecepatan untuk bantalan rol : (23)

⎛ 33,3 ⎞ ⎟⎟ f n = ⎜⎜ ⎝ n1 ⎠

⎛ 33,3 ⎞ =⎜ ⎟ ⎝ 500 ⎠

3 / 10

; n1 = putaran poros turbin = 500 rpm

3 / 10

= 0,444

Faktor umur (24)

fh =

=

C . fn . ft P

51 x0,444 x11,5 21,68

= 12,011

Umur bantalan (25)

Lh = 500. f h

10 / 3

= 500.(12,011)10 / 3 = 196774,415 jam

23

Ibid, pers : 4.53 Ibid, pers : 4.53 25 Ibid, pers : 4.54 24


103

Tugas Akhir

Gambar 4.7. Dimensi rumah bantalan

Gambar 4.8. Rumah bantalan


Tugas Akhir

104


104

Tugas Akhir

BAB V PENUTUP

5.1

Kesimpulan Setelah

melakukan

perhitungan

mengenai

komponen

–

komponen turbin ini maka diperoleh kesimpulan yaitu dimensi dari turbin ini sangat sederhana dibandingkan dengan turbin air lainnya (yang telah ada) tetapi tidak meninggalkan komponen utama. Cara kerja turbin ini juga lebih sederhana karena dipergunakan untuk

penggerak

mesin

penggupas

kulit

kopi,

yang

hanya

membutuhkan putaran saja, sehingga komponen – komponennya tidak lagi banyak. Air mengalir melalui pipa pesat langsung mengenai sudu yang terpasang pada penggerak, dan penggerak inilah yang nantinya memutar poros untuk meneruskan kepiringan gigi dan melalui elemen ini juga putaran dipindahkan kemesin pengupas kulit kopi.


105

Tugas Akhir

Turbin ini dapat dihentikan sementara, apabila mesin pengupas kulit kopi sudah selesai bekerja dengan cara menutup pintu air. Berikut ini adalah ringkasan dari hasil – hasil perhitungan yang didapat : ¾ Berdasarkan analisa perhitungan, dari tiga jenis efisiensi yaitu efisiensi volumetris, efisiensi hidrolis, efisiensi mekanis maka efisiensi totalnya adalah sebesar 85%. ¾ Sedangkan pada perhitungan selanjutnya adalha perhitungan daya, yang mana didapat daya turbin sebesar 6,25 kW. Dan daya satuannya adalah 1,528 kW. ¾ Ada pula perhitungan pembangkitan daya tiap tingkat, tingkat pertama sebesar 5,8 kW, sedangkan tingkat kedua sebesar 1,525 kW. Dan hasil presentasi pembangkitan daya tiap tingkat adalah 79,20% dan 20,795% 5.2

Saran Dari hasil perencanaan pada alat Pengupas Kulit Kopi dapat

disarankan beberapa hal : ¾ Hendaknya pada pengembangan selajutnya, alat tersebut tidak bersifat stasioner, sehingga dapat dipndah – pindahkan. ¾ Hendaknya dibuat alat yang lebih efisien dan canggih, agar system kerjanya lebih maksimal ¾ Untuk alatnya perlu dibuat lebih simple lagi sehingga tidak memakan banyak tempat dan lebih murah biaya investasinya.


106

Tugas Akhir

DAFTAR PUSTAKA 1. Arismunandar Wiranto, Penggerak Mula Turbin, edisi kedua, Bandung, ITB, 1997. 2. Arismunandar A dan Kuwahara, Buku Pegangan teknik Tenaga Listrik Jilid 1 : Pembangkit Dengan Tenaga Air, Jakarta, PT. Pradnya Paramita, 2004. 3. Arter Alex and Meller Uell, Cross Flow Turbine Design and Equipment Engineering, vol. 3, SWISS, SKAT, 1990. 4. Dandekar M. M, Pembangkit Listrik Tenaga Air, Jakarta, UIP, 1991. 5. Daugherty Robert. L and Franzini Joseph B, Fluis Mechanics with Engineering Application, sixth edition, United States of America, McGraw Hill Book Company, 1965. 6. Dietzel Fritz, Turbin, Pompa dan Kompresor, alih bahasa Dakso Sriyono, Jakarta, Erlangga, 1995. 7. Dobrovolsky V, Machine Elements A Text Book, translated from The Russian by A. Troitsky, Moscow, Peace Publisher, 1989. 8. Gieck K, Kumpulan Rumus Teknik, terjemah R.S. Brotodijero dan Heryanto S, edisi 66, Jakarta,PT. Pradnya Paramita, 1997. 9. Giles

Ranald

V,

Mekanika

Fluida

Hidraulika,

Jakarta,

Erlangga,1984. Univ. Mercu Buana Fakultas Teknologi Industri Teknik Mesin

107

Tugas Akhir

10. Giles Ranald V, Evett Jack B and Liu Cheng, Schaum’s Outline of Theory and Problems of Fluid Mechanics and Hydraulics, third edition, United States of America, Mc Graw – Hill Book Company, 1956. 11. Khurmi R.S, A Text Book of Hydraulics, Fluid Mechanics and Hydraulics Machines, thirteenth edition, New Delhi, S. Chand & Company LTD, 1984. 12. Khurmi R.S and Gupta J.K, A Text Book pf Machines Design, third edition, New Delhi, S. Chand & Company LTD, 1982. 13. Linslay Ray K and Franzini Joseph B, Teknik Sumber Daya Air Jilid : 1 dan 2, Jakarta, Erlangga, 1985. 14. Najiyati Sri dan Danarti, Kopi Budi Daya dan Penanganan Pasca Panen, Jakarta, Penebar Swadaya, 2004. 15. Patty O.F, Tenaga Air, Jakarta, Erlangga, 1995. 16. Pfleider,

Stromungsmachinen,

Berlin,

Götingen/Heidelberg,

1957. 17. Priyani V.B, Hydraulic and Hydrauilc Machinery, India, Charotar Book Stall, 1967. 18. Roloff Hermann/ Matek Wilhelm, Maschinen Elemente, German, Friedr. Vieweg & Shon Verlagsgesellschaft mbH, 1976.


108

Tugas Akhir

19. Shigley Joseph E dan Mitcell Larry D, Perencanaan Teknik Mesin, alih bahasa Gandhi Harahap, edisi keempat, Jakarta, Erlangga, 1994. 20. Singer Ferdinand L dan Pytel Andrew, Ilmu Kekuatan Bahan, alih bahasa Darwin Sebayang, edisi ketiga, Jakarta, Erlangga, 1995. 21. Streeter Victor L, Wylie E Benjamin and Bedford Keith W, Fluid Mechanics, ninth edition, United States of America, Mc Graw – Hill Book Company, 1998. 22. Stroud K.A, Matematika untuk Teknik, alih bahasa Erwin Sucipto, edisi kedua, Jakarta, Erlangga, 1982. 23. Sularso

dan

Suga

Kiyokatsu,

Dasar

Perencanaan

dan

Pemilihan Elemen Mesin, Jakarta, PT. Pradnya Paramita, 1983.


ANALISA PERENCANAAN TURBIN AIR SEDERHANA SEBAGAI PEMUTAR POROS MESIN PENGUPAS KULIT KOPI

Recommend Documents