BAB II LANDASAN TEORI

BAB II LANDASAN TEORI

2.1

TINJAUAN UMUM TURBIN AIR Tenaga air mulai digunakan oleh manusia sudah sekitar 2000 tahun yang lalu yaitu

ketika bangsa Yunani dan Romawi sudah mengenal kincir air, yang mana mereka meletakkan kincir air itu secara horizontal (arah poros kincir horizontal) di aliran sungai yang panjang. Kincir air ini digunakan tenaganya untuk menggiling jagung dengan menggunakan roda gigi. Tenaga air yang ditimbulkan oleh adanya energi potensial dan energi kinetik yang dimiliki oleh arus sungai yang mengalir tersebut yang akan memutar kincir air itu, oleh karena itu beroperasi penggilingan. Penggilingan menjadi tugas yang utama dilakukan dengan tenaga air kemudian pada perkembangannya kincir ini kemudian dikembangkan oleh bangsa-bangsa di Asia dan Eropa Timur pada masa setelah itu yaitu sekitar abad ke 4.

Gambar 2.1. Kincir Air

Karena kincir air sudah terkenal di berbagai tempat di dunia pada waktu itu, maka manusia mulai memikirkan tentang bagaimana cara meningkatkan kegunaan dari tenaga air tersebut. Manusia mulai mengubah bentuk kincir air dari keadaan yang sebelumnya, hal ini merupakan suatu langkah yang penting bagi perkembangan teknologi kincir air pada waktu

Universitas Sumatera Utara

itu. Bentuk kincir pun mulai bervariasi ada yang dipasang secara horisontal dengan arah putaran roda dari kiri ke kanan. Pada awalnya, kincir air dipasang sedemikian sehingga pusat dari kincir tersebut berada di atas permukaan air dan arus air akan menggerakkan bagian bawah dari kincir tersebut sehingga kincir air dapat berputar. Kemudian, mereka akan mencelupkan kincir di bawah permukaan air yang melebihi dari orientasi yang sebelumnya. Pada abad ke 18, John Smeaton menguji kedua-duanya orientasi di atas dan menemukan bahwa kincir yang bekerja mendapatkan efisiensi yang lebih tinggi. Pada abad sesudahnya para insinyur telah dapat menyempurnakan kincir air menemukan dua peningkatan, diantaranya adalah sudu dari kincir air yang dibengkokkan dapat bekerja lebih baik ,dan yang kedua adalah dapat diketahui posisi yang lebih tepat dari roda sehingga dihasilkan kincir air yang efisien. Pengembangan ini membantu orang-orang dalam penggunaan dari kincir air yang sudah mempunyai tenaga yang lebih dari sebelumnya. Tenaga yang lebih tersebut tidak hanya untuk menggiling hasil panen seperti jagung dan gandum, tetapi juga dapat digunakan sebagai tenaga untuk menggerakkan konveyor, sehingga masalah pengangkutan di dalam suatu pengilingan dapat diatasi dengan penggunaan tenaga kincir air. Pada abad ke 19, turbin air telah ditemukan, dan lambat laun mulai menggeser penggunaan dari kincir air. Manusia mulai meninggalkan kincir air karena melihat bahwa turbin air jauh lebih efisien dibanding dengan kincir air. Bagaimanapun, kincir air masih tersisa di seluruh dunia sampai hari ini.

2.2

KLASIFIKASI TURBIN AIR

2.2.1 Turbin Reaksi Turbin reaksi adalah turbin air yang cara kerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir dalam bentuk putaran. Sudu pada turbin reaksi


mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Dilihat dari konstruksinya, turbin reaksi ada dua jenis : 1. Turbin Francis Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian keluar. Turbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air masuk secara tangensial. Sudu pengarah pada turbin francis dapat merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang tepat.

Gambar 2.2. Turbin Francis

2.

Turbin Kaplan. Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan baling-baling pesawat

terbang. Bila baling-baling pesawat terbang berfungsi untuk menghasilkan gaya dorong, roda jalan pada kaplan berfungsi untuk mendapatkan gaya F yaitu gaya putar yang dapat menghasilkan torsi pada poros turbin. Berbeda dengan roda jalan pada francis, sudu-sudu pada roda jalan kaplan dapat diputar posisinya untuk menyesuaikan kondisi beban turbin. Turbin kaplan banyak dipakai pada instalasi pembangkit listrk tenaga air sungai, karena turbin ini mempunyai kelebihan dapat menyesuaikan head yang berubah-ubah sepanjang tahun. Turbin Kaplan dapat


beroperasi pada kecepatan tinggi sehingga ukuran roda turbin lebih kecil dan dapat dikopel langsung dengan generator. Pada kondisi pada beban tidak penuh turbin kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi, hal ini dikarenakan sudu-sudu turbin kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban yang ada.

Gambar 2.3. Turbin Kaplan dengan sudu jalan yang dapat diatur

2.2.2 Turbin Impuls Turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi puntir dalam bentuk putaran poros. Atau dengan kata lain, energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nosel.


1.

Turbin Pelton. Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air

yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nosel. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi.

Gambar 2.4. Turbin Pelton

Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah-tengah sudu dan pancaran air tersebut akan berbelok ke kedua arah sehinga bisa membalikkan pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping. Untuk turbin dengan daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi lewat beberapa nosel. Dengan demikian diameter pancaran air bisa diperkecil dan ember sudu lebih kecil.


2.3

PERBANDINGAN KARAKTERISTIK TURBIN Perbandingan karakteristik turbin dapat dilihat pada grafik head (m) vs flow (m3/s) di

bawah ini.

Gambar 2.5. Perbandingan karakteristik turbin

Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang didapatkan dan kurang lebih pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan untuk tempat dengan head tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head rendah. Pada gambar 2.5 terlihat bahwa turbin pelton adalah turbin yang beroperasi pada head yang menengah hingga tinggi dengan kapasitas aliran air yang menengah, atau bahkan beroperasi pada kapasitas yang sangat rendah.


Aplikasi penggunaan turbin berdasarkan tinggi head yang didapatkan adalah sebagai berikut ini : 1.

Turbin Kaplan : 0 < H < 25 meter.

2.

Turbin Francis : 25 < H < 50 meter.

3.

Turbin Pelton : 30 < H < 300 meter.

4.

Turbin Banki : 2 < H < 200 meter.

Untuk arah aliran turbin dapat diuraikan sebagai aliran radial, aksial, dan tangensial berkenan dengan roda. Apabila aliran tidak ada yang sejajar, maupun tegak lurus poros, tetapi pada umumnya dalam arah bersiku berkenan dengan poros, aliran tersebut dapat disebut sebagai aliran diagonal. Pada tabel di bawah adalah ringkasan dari aliran yang umumnya terjadi pada turbin yang biasa dipergunakan.

Tabel. 2.1. Penggolongan Berdasarkan Arah Aliran (Sumber : M.M. Dandekar & K.N. Sharma, 1991 : 398) Jenis turbin

Arah aliran

Francis

Radial atau gabungan

Pelton

Tangensial

Kaplan

Aksial

Banki

diagonal


2.4

TEKANAN KERJA Tekanan fluida dipancarkan dengan kekuatan yang sama ke semua arah dan bekerja tegak lurus pada suatu bidang. Dalam bidang datar yang sama kekuatan tekanan dalam suatu cairan sama. Pengukuran suatu tekanan dilakukan dengan menggunakan berbagai bentuk meteran. Persamaan momentum (kontinuitas) untuk pipa yang dialiri fluida, dimana sifat fluida konstan sebagai berikut: 𝑝𝑝 2 γ

Dimana,

+

𝑐𝑐2 2 2𝑔𝑔

−


+ 𝑧𝑧2 =

𝑝𝑝 1 γ

+


+ 𝑧𝑧1 + 𝐻𝐻 ......................... (2.1)

𝑝𝑝2 𝑝𝑝1 𝑐𝑐1 2 𝑐𝑐2 2 − = − + 𝑧𝑧1 − 𝑧𝑧2 + 𝐻𝐻 γ γ 2𝑔𝑔 2𝑔𝑔 𝑐𝑐1 2 2𝑔𝑔

dan γ konstan

Gambar 2.6. Perbedaan tekanan pada dua titik pengukuran

Berdasarkan gambar 2.6, perbedaan tekanan antara dua titik pada ketinggian berbeda dalam suatu cairan dinyatakan oleh pada gambar, diasumsikan perbedaan ketinggian z diubah menjadi h sehingga didapat persamaan :

Dimana :

𝑝𝑝2 − 𝑝𝑝1 = 𝜌𝜌 . 𝑔𝑔 (ℎ1 − ℎ2 ) ......................................... (2.2)


𝑝𝑝2 − 𝑝𝑝1

𝜌𝜌 . 𝑔𝑔

(ℎ1 − ℎ2 )

= Perbedaan tekan (Pa) = Satuan berat cairan (N/m3) = Perbedaan ketinggian (m)

Jika titik 1 berada di permukaan bebas cairan dan h positif ke arah bawah, persamaan di atas menjadi :

p=ρ.g.h

......................................................

(2.3)

Dimana : p

= Tekanan (Pa)

ρ

= Massa jenis (kg/m3)

g

= Percepatan gravitasi (m/detik2)

h

= Ketinggian (m)

Persamaan-persamaan tersebut dapat digunakan selama besarnya p tetap atau berubah sedikit sekali bersama h sehingga tidak mengakibatkan kesalahan yang cukup berarti dalam hasil perhitungan. Head (h) menyatakan tinggi suatu kolom fluida homogen yang akan menghasilkan suatu kekuatan tekanan tertentu, maka :

ℎ=

𝑝𝑝

𝜌𝜌 .𝑔𝑔

.................................................................... (2.4)


2.5

DASAR PEMILIHAN TURBIN

2.5.1 Perencanaan Saluran Udara dan Air 2.5.1.1 Selang Saluran Udara Selang saluran udara yang digunakan adalah selang komproser yang berdiameter 6 mm dengan bahan dari karet. Selang ini digunakan untuk mengalirkan udara dari tabung udara ke tabung air dengan perantaraan regulator.

Gambar 2.7. Selang saluran udara

2.5.1.2 Selang Saluran Air Selang saluran air yang digunakan adalah selang kompresor yang berdiameter 9 mm. Selang ini digunakan untuk mengalirkan air dari tabung udara ke nosel kemudian tembakan air diteruskan ke sudu turbin.

Gambar 2.8. Selang saluran air


2.5.2 Perencanaan Nosel Nosel adalah alat untuk mengekspansikan fluida sehingga kecepatannya bertambah. Nosel pada Turbin Pelton mempunyai peranan dalam mengatur kecepatan aliran fluida ketika menabrak runner. Untuk memudahkan pengaturan kecepatan fluida yang melalui nosel tersebut biasanya pada nosel dipasang sebuah guide vane (kran) yang berfungsi sebagai katub atau valve yang mengatur besar kecilnya lubang pada nosel yang akan dilalui fluida.

Gambar 2.9. Nosel

Persamaan untuk menentukan diameter nosel adalah sebagai berikut :

Dimana :

𝑑𝑑 = 0,54 �

𝑄𝑄

√𝐻𝐻

................................................................... (2.5)

d

= Diameter nosel (m)

Q

= Kapasitas aliran air (m3/detik)

H

= Head turbin (m)

2.5.3 Perencanaan Turbin 2.5.3.1 Kecepatan Air Keluar Nosel

Dimana :

𝑣𝑣 = 𝐶𝐶𝑣𝑣 �2. 𝑔𝑔. 𝐻𝐻 .......................................................... (2.6) v

= Kecepatan air keluar nosel (m/detik)

Cv

= Koefisien kecepatan = 0,97 s.d 0,99

g

= Percepatan gravitasi bumi = 9,81 (m/detik2)


H

= Head Turbin (m)

2.5.3.2 Kecepatan Keliling Roda Turbin 𝑢𝑢 = ∅ �2. 𝑔𝑔. 𝐻𝐻

........................................................... (2.7)

Dimana :

u

= Kecepatan keliling roda turbin (m/detik)

∅

= Speed ratio = 0,43 s.d 0,47

g


H

= Head Turbin (m)

2.5.3.3 Putaran Teoritis Turbin

𝑁𝑁 =

60 𝑢𝑢 𝜋𝜋 𝐷𝐷

................................................................ (2.8)

Dimana :

N

= Putaran poros turbin (rpm)

D

= Diameter roda jalan (m)

u


Gambar 2.10. Rumah turbin pelton

2.5.3.4 Ukuran Sudu 1.

Lebar sudu (b) 𝑏𝑏 = (4 𝑠𝑠. 𝑑𝑑 5) 𝑑𝑑 . ................................................................... (2.9) Universitas Sumatera Utara

2.

Tinggi sudu (h)

3.

ℎ = (2,1 𝑠𝑠. 𝑑𝑑 2,7) 𝑑𝑑 .............................................................(2.10)

4.

𝑡𝑡 = (0,81 𝑠𝑠. 𝑑𝑑 1,05) 𝑑𝑑 .........................................................(2.11)

Lebar celah sudu (m)

5.

𝑚𝑚 = (1,1 𝑠𝑠. 𝑑𝑑 1,25) 𝑑𝑑 ..........................................................(2.12)

Sudut pancaran air masuk sudu (β1)

6.

𝛽𝛽1 = 5o 𝑠𝑠. 𝑑𝑑 8o ...................................................................(2.13)

Kedalaman sudu (t)

Sudut pancaran air keluar sudu (β2)

𝛽𝛽2 = 160o 𝑠𝑠. 𝑑𝑑 170o ...........................................................(2.14)

Gambar 2.11. Sudu turbin

2.5.3.5 Gaya Pancar Air Terhadap Sudu 𝐹𝐹 = 𝜌𝜌 . 𝑄𝑄 (𝑣𝑣 − 𝑢𝑢)(1 − 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝛽𝛽2 )

................................ (2.15)

Dimana :

F

= Gaya pancar air terhadap sudu (N)

ρ

= Massa jenis air = 1000 (kg/m3)

Q

= Kapasitas aliaran air (m3/detik)

v

= kecepatan air keluar nosel (m/detik)

u


k

= Faktor gesek permukaan sudu = 0,8 – 0,9


Gambar 2.12. Diagram vektor kecepatan pada sisi masuk dan sisi keluar sudu

2.5.3.6 Daya 1. Daya Hidrolis Pa = ρ . g . Ht . Q

................................................

(2.16)

Dimana : Pa

= Daya hidrolis air (W)

ρ


g


𝐻𝐻𝑡𝑡

= Head turbin (m)

Q

= Kapasitas air keluar nosel (m3/detik)

2. Daya Kinetik Pancaran Air 𝑃𝑃𝑘𝑘 =

1 2

Dimana :

𝜌𝜌 . 𝐴𝐴 . 𝑣𝑣 3

......................................................... (2.17)

Pk

= Daya kinetik pancaran air (W)

ρ


A

= Luas penampang nosel (m2) =

𝜋𝜋

4

𝑑𝑑 2


= Kecepatan aliran air (m2/detik)

v 3. Daya Poros Turbin 𝑃𝑃𝑇𝑇 = 𝐹𝐹 . 𝑢𝑢

.................................................................. (2.18)

Dimana :

PT

= Daya poros turbin (W)

F

= Gaya pancar air terhadap sudu (N)

u


2.5.3.7. Putaran Spesifik Kecepatan spesifik setiap turbin mempunyai kisaran (range) tertentu berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air adalah sebagai berikut: Tabel 2.2. Putaran Spesifik Turbin (Sumber : M.M. Dandekar & K.N. Sharma, 1991 : 398) Penggerak

Kecepatan khusus (putaran dalam semenit, rpm) Lambat

Sedang

Cepat

Pelton

4 – 15

16 – 30

31 – 70

Francis

60 – 150

151 – 250

251 – 400

Kaplan

300 – 450

451 – 700

701 – 1100

Dengan mengetahui kecepatan spesifik turbin, maka perencanaan dan pemilihan jenis turbin akan menjadi lebih mudah, bahkan dimensi dasar turbin dapat diestimasi (diperkirakan).

dimana:

𝑁𝑁𝑠𝑠 =

𝑁𝑁√𝑃𝑃 𝐻𝐻

5� 4

. ................................................. (2.19)


Ns = putaran spesifik (rpm) N = putaran turbin (rpm) P = daya (kW) H = Head (m)

2.5.3.8 Efisiensi 1. 𝜂𝜂𝑅𝑅 =

𝑃𝑃𝑇𝑇 𝑃𝑃𝑘𝑘

Dimana :

Efiisiensi Sudu Turbin . 100 %

ηR

𝜂𝜂 𝑇𝑇 =

..................................................... (2.20)

= Effisiensi sudu turbin

PT


Pk

= Daya kinetik pancaran air (W)

2.

Efisiensi Turbin

𝑃𝑃𝑇𝑇 𝑃𝑃𝑎𝑎

Dimana :

. 100 %

ηT PT Pa

..................................................... (2.21)

= Effisiensi sudu turbin = Daya poros turbin (W) = Daya hidrolis air (W)

2.5.4 Perencanaan Poros Poros merupakan salah satu bagian yang terpenting dari setiap mesin. Hampir semua mesin

meneruskan

daya

bersama-sama

dengan

putaran.

Peranan

utama

dalam

mentransmisikan putaran dan daya seperti itu dipegang oleh poros.


Gambar 2.13. Poros turbin

2.5.4.1 Macam-macam Poros Poros untuk meneruskan daya diklasifikasikan menurut pembebanannya, sebagai berikut : 1.

Poros Transmisi Poros transmisi mendapatkan beban puntir saja atau puntir dan lentur dan

pengaplikasiannya, tetapi ada juga poros transmisi yang mengalami pembebanan berupa puntir, lentur, dan aksial. Poros seperti itu biasanya terdapat pada turbin dimana gaya aksial terjadi karena tumbukan dari fluida kerja yang mengenai sudu. 2.

Poros Spindel Spindel adalah poros yang ukurannya lebih pendek dari poros transmisi.

Fungsinya untuk meneruskan putaran sehingga mendapatkan pembebanan puntir. Poros ini harus memiliki kekakuan yang tinggi, karena ditempatkan pada daerah yang kritis. Pengaplikasiannya seperti pada mesin perkakas atau pada poros motor penggerak. Poros spindel dianggap menerima puntiran saja.

3.

Poros Gandar Pada poros jenis ini pembebanan yang terjadi adalah lentur murni, dimana

tidak mendapat beban puntir, kadang-kadang tidak boleh berputar. Gandar hanya


mendapat beban lentur, kecuali jika digerakkan oleh penggerak mula dimana akan mengalami beban puntir juga. Menurut bentuknya, gandar dapat digolongkan atas poros lurus umum, poros engkol, poros luwes untuk transmisi daya kecil, dan lain-lain. Karena poros gandar tidak boleh berputar sehingga dianggap hanya menerima beban lentur saja.

2.5.4.2 Hal-hal Penting Dalam Perencanaan Poros Untuk merencanakan sebuah poros hal-hal sebagai berikut perlu diperhatikan : a.

Kekuatan Poros

b.

Kekakuan Poros

c.

Putaran Kritis

d.

Korosi

e.

Bahan Poros Untuk menentukan diameter poros harus ditentukan terlebih dahulu hal-hal

berikut :

1. Daya Rencana Poros Untuk menghitung diameter poros yang diperlukan, maka harus dihitung terlebih dahulu daya rencana yaitu dengan persamaan berikut ini :

𝑃𝑃𝑑𝑑 = 𝑓𝑓𝑐𝑐 . 𝑃𝑃 .................................................................. (2.22)

Dimana :

Pd

= Daya rencana (kW)

fc

= Faktor koreksi

P

= Daya alternator (kW)


Faktor koreksi yang diperlukan untuk menghitung daya rencana yang diperlukan terdapat pada tabel.... Tabel 2.3. Faktor-faktor koreksi daya (fc)

(Sularso, 1994 : 7) Daya yang ditransmisikan

2.

Faktor koreksi (fc)

Daya rata-rata yang diperlukan

1,2 – 2,0

Daya maksimum yang diperlukan

0,8 – 1,2

Daya normal

1,0 – 1,5

Momen Puntir Poros Setelah melakukan perhitungan besar daya rencana, maka momen puntir dapat

dihitung dengan persamaan sebagai berikut :

𝑇𝑇 = 9,74 . 105

Dimana :

3.

𝑃𝑃𝑑𝑑 𝑛𝑛

...................................................... (2.23)

T

= Momen puntir (kg.mm)

Pd

= Daya rencana turbin (kW)

n

= Putaran turbin (rpm)

Tegangan Geser Ijin Bahan Untuk menghitung tegangan geser ijin bahan, maka perlu diketahui terlebih

dahulu kekuatan tarik bahan poros. Persamaan untuk menghitung tegangan geser ijin bahan adalah sebagai berikut :

𝜏𝜏𝑎𝑎 =

𝜎𝜎 𝑏𝑏

𝑆𝑆𝑆𝑆1 . 𝑆𝑆𝑓𝑓2

............................................................. (2.24)


Dimana : 𝜏𝜏𝑎𝑎

= Tegangan geser ijin bahan (kg/mm2)

𝜎𝜎𝑏𝑏

= Kekuatan tarik bahan (kg/mm2)

𝑆𝑆𝑆𝑆1

𝑆𝑆𝑓𝑓2

= Faktor keamanan puntir = Faktor keamanan akibat pengaruh konsentrasi

tegangan

dengan harga antara 1,3 – 3,0 4. Diameter Poros Dalam perencanaan poros ini diperkirakan akan terjadi beban lentur maka akan dipertimbangkan pemakaian faktor Km yang harganya antara 1,2 sampai 2,3 dan harga Kt harus diperhatikan yang harganya antara 1,5 sampai 3,0 serta Momen puntir dan beban aksial akibat tumbukan dari fluida kerja yang mengenai sudu, sehingga diameter poros dihitung dengan persamaan :

Dimana :

𝑑𝑑𝑠𝑠 = [

5,1 𝜏𝜏 𝑎𝑎

�(𝐾𝐾𝑚𝑚 . 𝑀𝑀2 ) + (𝐾𝐾𝑡𝑡 . 𝑇𝑇 2 )]1/3 .......................... (2.25)

ds

= Diameter poros (mm)

𝜏𝜏𝑎𝑎

= Tegangan geser yang diijinkan (kg/mm2)

M

= Momen lentur (kg.mm)

T


𝐾𝐾𝑚𝑚

= Faktor koreksi untuk kemungkinan terjadinya

𝐾𝐾𝑡𝑡

= Faktor koreksi terhadap momen puntir yang

beban

lentur yang harganya 1,2 – 2,3 besarnya :

1,0 jika beban dikenakan halus

1,0 – 1,5 jika terjadi sedikit kejutan atau tumbukan 1,5 – 3,0 jika beban dikenakan kejutan atau tumbukan


2.5.4.3 Pemeriksaan Kekuatan Poros Hasil diameter poros yang dirancang harus diuji kekuatannya. Pemeriksaan dapat dilakukan dengan memeriksa tegangan geser yang terjadi akibat tegangan puntir yang dialami poros. Jika tegangan geser lebih besar dari tegangan geser ijin dari bahan tersebut, maka perancangan akan dikatakan gagal.

1.

Tegangan Geser Pada Poros Bila momen puntir T (kg.mm) dibebankan pada suatu diameter poros maka

tegangan geser 𝜏𝜏𝑝𝑝 (kg/mm2) yang terjadi dihitung dengan persamaan berikut :

Dimana :

2.

𝜏𝜏𝑝𝑝 =

16 𝑇𝑇

................................................................ (2.26)

𝜋𝜋 . 𝑑𝑑 𝑠𝑠 3

τp

= Tegangan geser akibat momen puntir (kg/mm2)

T

= Momen puntir yang ditransmisikan (kg.mm)

ds


Gaya Tangensial Poros Gaya tangensial poros dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :

𝐹𝐹𝑝𝑝 = �

Dimana :

𝑇𝑇

𝑑𝑑 𝑠𝑠 . 𝑆𝑆𝑓𝑓 2

�

......................................................... (2.27)

Fp

= Gaya tangensial poros (kg)

T


ds



𝑆𝑆𝑓𝑓2

= Faktor keamanan akibat pengaruh konsentrasi

tegangan

dengan harga antara 1,3 – 3,0

2.5.5 Perencanaan Bantalan Bantalan adalah elemen mesin yang menumpu poros berbeban, sehingga putaran atau gerak bolak-balik dapat bekerja dengan aman, halus dan panjang umur. Bantalan harus kokoh untuk memungkinkan poros atau elemen mesin lainnya dapat bekerja dengan baik. Jika bantalan tidak bekerja dengan baik, maka prestasi kerja seluruh sistem akan menurun atau tidak dapat bekerja semestinya. Jadi, jika disamakan pada gedung, maka bantalan dalam permesinan dapat disamakan dengan pondasi pada suatu gedung.

2.5.5.1 Klasifikasi Bantalan Berdasarkan dasar gerakan bantalan terhadap poros, maka bantalan dapat diklasifikasikan sebagai berikut : 1.

Bantalan luncur Bantalan luncur mampu menumpu poros berputaran tinggi dengan beban yang

besar. Bantalan ini memiliki konstruksi yang sederhana dan dapat dibuat dan dipasang dengan mudah. Bantalan luncur memerlukan momen awal yang besar karena gesekannya yang besar pada waktu mulai jalan. Pelumasan pada bantalan ini tidak begitu sederhana, gesekan yang besar antara poros dengan bantalan menimbulkan efek panas sehingga memerlukan suatu pendinginan khusus.

Gambar 2.14. Pelumasan bantalan luncur


Lapisan pelumas pada bantalan ini dapat meredam tumbukan dan getaran sehingga hampir tidak bersuara. Tingkat ketelitian yang diperlukan tidak setinggi bantalan gelinding sehingga harganya lebih murah. Adapun macam-macam dari bantalan luncur adalah sebagai berikut :

2.

a.

Bantalan radial

b.

Bantalan aksial

c.

Bantalan khusus

Bantalan gelinding Pada bantalan ini terjadi gesekan gelinding antara bagian yang berputar

dengan yang diam melalui elemen gelinding seperti bola (peluru), rol jarum dan rol bulat. Bantalan gelinding pada umumnya cocok untuk beban kecil daripada bantalan luncur, tergantung pada bentuk elemen gelindingnya. Putaran pada bantalan ini dibatasi oleh gaya sentrifugal yang timbul pada elemen gelinding tersebut. Bantalan gelinding hanya dibuat oleh pabrik-pabrik tertentu saja karena konstruksinya yang sukar dan ketelitiannya yang tinggi. Harganya pun pada umumnya relatif lebih mahal jika dibandingkan dengan bantalan luncur. Bantalan gelinding diproduksi menurut standar dalam berbagai ukuran dan bentuk, hal ini dilakukan agar biaya produksi menjadi lebih efektif serta memudahkan dalam pemakaian bantalan tersebut. Keunggulan dari bantalan gelinding yaitu, gesekan yang terjadi pada saat berputar sangat rendah. Pelumasannya pun sangat sederhana, yaitu cukup dengan gemuk, bahkan pada jenis bantalan gelinding yang memakai seal sendiri tidak perlu pelumasan lagi. Meskipun ketelitiannya sangat tinggi, namun karena adanya gerakan elemen gelinding dan sangkar, pada putaran yang tinggi bantalan ini agak gaduh jika dibandingkan dengan bantalan luncur.


Jenis bantalan yang digunakan sesuai dengan diameter poros terdapat pada tabel 2.2 di bawah ini.

Gambar 2.15. Macam-macam bantalan peluru

2.5.5.2 Rumus Perhitungan Bantalan Rumus perhitungan bantalan gelinding antara lain mengenai (Sularso, 2004) 1.

Beban Ekuivalen Dinamis P = X . V. Fr + Fa .Y .............................................

(2.28)

Dimana : P

= Beban ekuivalen dinamis (kg)

Fr

= Beban radial (kg)

Fa

= Beban aksial (kg)

X,V,Y = Faktor-faktor yang mempengaruhi perhitungan beban ekuivalen dinamis terdapat pada tabel 2 pada lampiran. 2.

Faktor Kecepatan (fn)  3 3,3  f n=    n 

1/ 3

.....................................................

(2.29)

Dimana :


3.

fn

= Faktor kecepatan

n

= Kecepatan poros (rpm)

Faktor Umur (fh) fh = fn

c P

.........................................................

(2.30)

Dimana :

4.

fh

= Faktor umur

fn

= Faktor kecepatan

C

= Kapasitas nominal dinamis spesifik (kg)

P

= Beban ekuivalen dinamis (kg)

Umur Bantalan (Lh) 3 Lh = 500 fh

...................................................

(2.31)

Dimana : Lh

= Umur bantalan (jam)

fh

= Faktor umur

2.5.6 Perencanaan Sekrup Sekrup merupakan salah satu alat pengikat yang sering digunakan. Untuk mencegah kecelakaan atau kerusakan pada mesin, pemilihan sekrup sebagai alat pengikat harus dilakukan dengan kebutuhan rangkaian. Sekrup mempunyai diameter sampai 8 mm dan untuk pemakaian khusus tidak ada beban besar. Kepalanya mempunyai alur lurus atau silang untuk dapat dikuatkan dengan obeng. Adapun macam-macam sekrup, yaitu : a.

Kepala bulat alur silang

b.

Kepala bulat beralur lurus


c.

Macam panci

d.

Kepala rata alur bersilang

e.

Kepala benam lonjong

Gambar 2.16. Sekrup dengan bermacam–macam bentuk kepala serta teknik pemutarnya

Sekrup penetap digunakan untuk menetepkan naff pada porosnya, sedang bentuk ujungnya disesuaikan dengan penggunaannya.

Gambar 2.17. Sekrup penetap

Keterangan : 1.

Beralur

5. Ujung rata

2.

Lekuk (soket) segienam

6. Ujung kerucut

3.

Kepala bujur sangkar

7. Ujung berleher

4.

Ujung mangkok

8. Ujung bulat

Penggunaan baut-mur dan sekrup yang sesuai dengan diameter ulirnya terlihat pada tabel 3 yang terdapat pada lampiran.


Untuk menentukan ukuran mur-baut dan sekrup, berbagai faktor harus diperhatikan seperti sifat gaya yang bekerja, syarat kerja, kekuatan bahan dan kelas ketelitian. Adapun gaya-gaya yang bekerja pada mur-baut dan sekrup berupa: a.

Beban statis aksial murni

b.

Beban aksial bersama dengan beban puntir

c.

Beban geser

d.

Beban aksial tumbukan

Persamaan-persamaan yang digunakan untuk menentukan diameter ulir pada perencanaan mur-baut dan sekrup sebagai berikut : 𝑑𝑑𝑐𝑐 ≥ � 𝜋𝜋𝜎𝜎

4 𝑊𝑊

𝑎𝑎

𝑥𝑥 0,64

...................................................... (2.32)

Atau

𝑑𝑑𝑐𝑐 ≥ �

2 𝑊𝑊 𝜎𝜎𝑎𝑎

........................................................

(2.33)

Dan,

𝑑𝑑𝑐𝑐 = 0,8 𝑑𝑑

Sehingga,

𝑑𝑑 = 1,25 𝑑𝑑𝑐𝑐 ..................................... (2.35)

Dimana :

..................................... (2.34)

dc

= Diameter batang ulir (mm)

d

= Diameter luar ulir (mm)

W

= Beban tarik aksial pada baut (kg)

𝜎𝜎𝑎𝑎

= Tegangan geser yang diijinkan (kg/mm2)

Harga 𝜎𝜎𝑎𝑎 tergantung dari macam bahan, yaitu SS, SC atau SF. Jika ditulis tinggi faktor

keamanan dapat diambil sebesar 6-8 dan jika difinis biasa besarnya antara 8-10. Untuk baja


liat yang mempunyai kadar karbon 0,2 – 0,3 (%), tegangan yang diijinkan 𝜎𝜎𝑎𝑎 umumnya

adalah sebesar 6 kg/mm2 jika difinis tinggi dan 4,86 kg/mm2 jika difinis biasa.

2.5.7 Perencanaan Puli dan Sabuk 2.5.7.1 Puli (Pulley) Puli biasanya digunakan untuk mentransmisikan atau memindahkan tenaga dari poros yang satu ke poros yang lainnya dengan bantuan belt atau sabuk. Bahan puli biasanya terbuat dari besi tuang, baja tuang atau baja press, aluminium, kayu dan kertas. Puli yang terbuat dari baja dicetak atau di-press mempunyai koefisien yang rendah dan membutuhkan pengerjaan yang rumit.

Gambar 2.18. Variasi diamter ukuran puli

Secara teoritis, persamaan-persamaan dalam perencanaan puli adalah sebagai berikut : 1.

Dimana :

𝑇𝑇𝑝𝑝 = 𝐹𝐹 . �

Torsi Puli 𝐷𝐷𝑝𝑝 2

�

........................................................... (2.36)

Tp

= Torsi puli (N.mm)

F

= Beban puli (N)

Dp

= Diameter puli (mm)


2.

Dimana :

Dimana :

Dimana :

𝐹𝐹𝑒𝑒 =

𝜇𝜇 =

Tarikan Efektif Rem 𝑇𝑇

............................................................. (2.37)

𝐷𝐷𝑝𝑝 / 2

Fe

= Tarikan efektif rem (N)

T

= Momen torsi poros (N.mm)

Dp

= Diameter puli (mm)

3.

Koefisien Gesek

ln 𝐹𝐹𝑒𝑒 −ln (𝐹𝐹𝑒𝑒 − 𝐹𝐹)

...................................................... (2.38)

𝜃𝜃𝜃𝜃𝜃𝜃𝜃𝜃

µ

= Koefisien gesek

θ

= Sudut kontak = 90o

4.

Koefisien Gaya Terhadap Gaya Gesek

𝐹𝐹 = 𝜇𝜇 . 𝑃𝑃𝑇𝑇 . 𝐴𝐴𝑝𝑝 . 𝑙𝑙𝑠𝑠 F

.................................................. (2.39)

= Gaya gesek (N)

µ

= Koefisien gesek

PT


Ap

= Luas penampang puli (m2)

ls

= Lebar sabuk (m)

2.5.7.2 Sabuk (Belt) Sabuk atau belt biasanya digunakan untuk memindahkan daya dari poros yang satu ke poros yang lainnya dengan bantuan puli dimana puli berputar dengan


kecepatan yang sama atau pada kecepatan yang berbeda. Jumlah daya yang dipindahkan tergantung pada beberapa faktor, yaitu : a.

Kecepatan sabuk

b.

Tegangan di bawah sabuk dimana sabuk diletakkan di atas puli

c.

Sudut kotak antara sabuk dan puli yang lebih kecil Material yang digunakan untuk bahan belt harus kuat, fleksibel dan

mempunyai daya tahan yang lama. Material belt juga harus menggunakan koefisien yang tinggi terhadap gesekan. Bahan belt yang biasa digunakan adalah : a.

Leather belt

b.

Cotton or pabric belt

c.

Rubber belt

d.

Balata belt Sabuk yang digunakan pada rancang bangun ini adalah sabuk gilir ( tipe J)

yang terlihat pada gambar 2.20.


Gambar 2.19. Berbagai macam sabuk transmisi daya


Gambar 2.20. Tipe, ukuran dan pemakaian pada sabuk gilir


2.5.7.3 Sistem Transmisi Puli dan Sabuk 1. Rasio Kecepatan Rasio kecepatan adalah rasio antara kecepatan puli penggerak (driver) dan puli yang digerakkan (driven). Dinyatakan secara matematis : Panjang sabuk yang melewati driver dalam 1 menit : L1 = π d1 n1 ............................................................

(2.40)

Panjang sabuk yang melewati driven dalam 1 menit : L2 = π d2 n2

...........................................................

(2.41)

Karena panjang sabuk yang melewati driver dalam 1 menit adalah sama dengan panjang sabuk yang melewati driven dalam 1 menit, sehingga :

π d1 n1 = π d2 n2

.................................................. (2.42)

Sehingga kecepatan rasio adalah : 𝑛𝑛 2 𝑛𝑛 1

=

𝑑𝑑 1

=

𝑑𝑑 1 + 𝑡𝑡

𝑑𝑑 2

......................................................................... (2.43)

Ketika ketebalan sabuk dianggap (t), maka rasio kecepatan menjadi : 𝑛𝑛 2 𝑛𝑛 1

𝑑𝑑 2 + 𝑡𝑡

..................................................................... (2.44)

Perbandingan putaran :

Dimana :

𝑖𝑖 =

𝑛𝑛 1 𝑛𝑛 2

........................................................................... (2.45)

d1

= Diameter driver (mm)

d2

= Diameter driven (mm)

n1

= Kecepatan driver (rpm)

n2

= Kecepatan driven/pengikut (rpm)

2.

Kecepatan Sabuk


Dimana :

Dimana :

𝑉𝑉 =

𝐷𝐷𝑝𝑝 . 𝑛𝑛 1

60 .1000

................................................................... (2.46)

V

= Kecepatan sabuk (m/detik)

Dp

= Diameter puli penggerak (mm)

n1

= Putaran poros penggerak (rpm)

3.

Koefisien Gesek Antara Puli dan Sabuk

𝜇𝜇 = 0,45 −

42,6

152,6+𝑉𝑉

μ

= Koefisien gesekan antara puli dan sabuk.

V

= Kecepatan sabuk (m/menit)

4.

Analisa Momen Torsi (T1,T2)

𝑇𝑇1 = 9,74 . 105 �

Dimana :

..................................................... (2.47)

𝑃𝑃𝑑𝑑

𝑛𝑛 1

𝑇𝑇2 = 9,74 . 105 . �

� .................................................... (2.48)

𝑃𝑃𝑑𝑑

𝑛𝑛 2

� ................................................... (2.49)

T1

= Momen torsi puli penggerak (kg.mm)

T2

= Momen torsi puli yang digerakkan (kg.mm)

Pd

= Daya rencana (kW)

n1

= Putaran poros penggerak (rpm)

n2

= Putaran poros yang digerakkan (rpm)


5.

Panjang Sabuk

𝜋𝜋

𝐿𝐿 = (𝑑𝑑1 + 𝑑𝑑2 ) + 2𝑥𝑥 + 2

(𝑑𝑑 1 − 𝑑𝑑 2 )2 4𝑥𝑥

............................... (2.50)

Gambar 2.21. Transmisi puli dan sabuk

2.5.8 Perencanaan Generator 2.5.8.1 Pengertian Generator Dinamo (Generator) atau pembangkit listrik yang sederhana dapat ditemukan pada sepeda. Pada sepeda, biasanya dinamo digunakan untuk menyalakan lampu. Caranya ialah bagian atas dinamo (bagian yang dapat berputar) dihubungkan ke roda sepeda. Pada proses itulah terjadi perubahan energi gerak menjadi energi listrik. Generator (dinamo) merupakan alat yang prinsip kerjanya berdasarkan induksi elektromagnetik. Alat ini pertama kali ditemukan oleh Michael Faraday. Berkebalikan dengan motor listrik, generator adalah mesin yang mengubah energi kinetik menjadi energi listrik. Energi kinetik pada generator dapat juga diperoleh dari angin atau air terjun. Berdasarkan arus yang dihasilkan. Generator dapat dibedakan menjadi dua rnacam, yaitu generator AC dan generator DC. Generator AC menghasilkan arus bolak-balik (AC) dan generator DC menghasilkan arus searah (DC). Baik arus bolak-balik maupun searah dapat digunakan untuk penerangan dan alat-alat pemanas.


2.5.8.2 Cara Kerja Dinamo Prinsip kerja dinamo sama dengan generator yaitu memutar kumparan di dalam medan magnet atau memutar magnet di dalam kumparan. Bagian dinamo yang berputar disebut rotor. Bagian dinamo yang tidak bergerak disebut stator. antara dinamo DC dengan dinamo AC terletak pada cincin yang digunakan. Pada dinamo arus searah menggunakan satu cincin yang dibelah menjadi dua yang disebut cincin belah (komutator). Cincin ini memungkinkan arus listrik yang dihasilkan pada rangkaian luar Dinamo berupa arus searah walaupun di dalam dinamo sendiri menghasilkan arus bolak-balik. Adapun, pada dinamo arus bolak-balik menggunakan cincin ganda (dua cincin). Alat pembangkit listrik arus bolak balik yang paling sederhana adalah dinamo sepeda. Tenaga yang digunakan untuk memutar rotor adalah roda sepeda. Jika roda berputar, kumparan atau magnet ikut berputar. Akibatnya, timbul GGL induksi pada ujung-ujung kumparan dan arus listrik mengalir. Makin cepat gerakan roda sepeda, makin cepat magnet atau kumparan berputar. Makin besar pula GGL induksi dan arus listrik yang dihasilkan. Jika dihubungkan dengan lampu, nyala lampu makin terang. GGL induksi pada dinamo dapat diperbesar dengan cara putaran roda dipercepat, menggunakan magnet yang kuat (besar), jumlah lilitan diperbanyak, dan menggunakan inti besi lunak di dalam kumparan. 2.5.8.3 Macam-macam Generator Adapun macam-macam dari generator adalah sebagai berikut : 1. Generator DC

Gambar 2.22. Generator DC


Prinsip kerja generator (dinamo) DC sama dengan generator AC. Namun, pada generator DC arah arus induksinya tidak berubah. Hal ini disebabkan cincin yang digunakan pada generator DC berupa cincin belah (komutator).

2. Generator AC

Gambar 2.23. Generator AC

Bagian utama generator AC terdiri atas magnet permanen (tetap), kumparan (solenoida). cincin geser, dan sikat. Pada generator. perubahan garis gaya magnet diperoleh dengan cara memutar kumparan di dalam medan magnet permanen. Karena dihubungkan dengan cincin geser, perputaran kumparan menimbulkan GGL induksi AC. OIeh karena itu, arus induksi yang ditimbulkan berupa arus AC. Adanya arus AC ini ditunjukkan oleh menyalanya lampu pijar yang disusun seri dengan kedua sikat. Sebagaimana percobaan Faraday, GGL induksi yang ditimbulkan oleh generator AC dapat diperbesar dengan cara : a.

Memperbanyak lilitan kumparan,

b.

Menggunakan magnet permanen yang lebih kuat.

c.

Mempercepat perputaran kumparan, dan menyisipkan inti besi lunak ke dalam kumparan. Contoh generator AC yang sering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari

adalah dinamo sepeda. Bagian utama dinamo sepeda adalah sebuah magnet tetap dan kumparan yang disisipi besi lunak. Jika magnet tetap diputar,perputaran tersebut menimbulkan GGL induksi pada kumparan. Jika sebuah lampu pijar (lampu sepeda)


dipasang pada kabel yang menghubungkan kedua ujung kumparan. lampu tersebut akan dilalui arus induksi AC. Akibatnya, lampu tersebut menyala. Nyala lampu akan makin terang jika perputaran magnet tetap makin cepat (laju sepeda makin kencang).

2.5.8.4 Pemilihan Generator Pada Turbin Dinamo sepeda merupakan generator kecil yang dapat menghasilkan arus listrik yang kecil pula. Pada dinamo sepeda prinsip kerjanya yaitu energi gerak dari poros turbin diubah menjadi energi potensial listrik melalui transmisi puli dan sabuk. Besarnya tegangan listrik yang dihasilkan dinamo sepeda ini ditentukan oleh cepatnya roda turbin yang berputar melalui perantaraan poros. Semakin cepat putaran poros turbin semakin cepat putaran dinamo dan arus listrik yang dihasilkan semakin besar pula, biasanya dinamo dapat menghasilakan tegangan 6 sampai 12 Volt. Dinamo sepeda intinya adalah sebuah magnet yang dapat berputar dan sebuah kumparan tetap.

Gambar 2.24. Dinamo sepeda

Hubungan antara kecepatan, flux medan dan tegangan dinamo ditunjukkan dalam persamaan sebagai berikut : E = K . Φ . N...........................................................

(2.51)

Dan T = K . Φ . Ia...............................................................................

(2.52)


Persamaan K dimasukkan ke persamaan E menjadi :

𝐸𝐸 =

𝑇𝑇

𝛷𝛷 . 𝐼𝐼𝑎𝑎

𝛷𝛷 . 𝑛𝑛 ............................................................. (2.53)

𝐸𝐸 . 𝐼𝐼𝑎𝑎

........................................................................ (2.54)

Sehingga momen torsi dinamo adalah :

Dimana :

𝑇𝑇 =

𝑛𝑛

E

= Gaya elektromagnetik yang dikembangkan pada terminal

dinamo/tegangan dinamo (Volt) Φ

= Flux medan yang berbanding lurus dengan arus medan

n

= Kecepatan poros dinamo (rpm)

T

= Torsi elektromagnetik (N.m)

Ia

= Arus dinamo (Ampere)

K

= Konstanta persamaan.


BAB II LANDASAN TEORI

Recommend Documents