BAB IV DESIGN DAN ANALISA
Pada bab ini penulis hendak menampilkan desain turbin air secara keseluruhan mulai dari profil sudu, perhitungan dan pengecekan kekuatan bagian-bagian utama dari desain turbin air mikro hidro seperti poros transmisi, bantalan tirus/kerucut, kerangka/penyangga, dan lengan penyangga sudu turbin. Turbin arus direncanakan akan mampu menggerakan generator AC untuk menghasilkan daya listrik maksimal 30000 watt atau 30 Kw.
Gambar 4.1 Desain Turbin Mikro Hidro 45
46
Gambar 4.2 Design Turbin Mikro Hidro Tanpa Pipa
4.1. Desain Profil Sudu dan Analisa Perhitungan Sudu Dalam menentukan bentuk dan dimensi sudu turbin, penulis mengacu pada sudut masuk aliran, sudut buang aliran dan ketinggian air sehingga sudu turbin yang terbentuk mampu memutar poros dan menggerakkan generator.
Gambar 4.3 Profil Sudu Turbin Mikro Hidro
47
Bentuk sudu datar sering digunakan pada pembangkit listrik mikro hidro terutama di pedesaan atau perumahan. Hal tersebut dikarenakan mudah dan tidak membutuhkan biaya yang besar apabila dibandingkan dengan pembangkit listrik yang diproduksi oleh pemerintah. Sistem pemasangan sudu turbin ini pun tergolong mudah untuk dilakukan karena tidak membutuhkan ketelitian. Akan tetapi sudu turbin datar memiliki kelemahan yang cukup besar pengaruhnya pada putaran poros turbin. Sudu turbin datar menghasilkan daya dorong balik yang jauh lebih besar pada saat menggerakkan poros turbin jika dibandingkan dengan sudut sudu memilin (pelintir). Hal tersebut terjadi karena sudut buang sudu sama dengan sudut masuk sudu. Sudut sudu semacam ini tidak mampu menghasilkan putaran yang maksimal karena laju aliran dan daya air tidak dapat dimanfaatkan secara efisien. Turbin air yang menggunakan sudu turbin datar pada dasarnya mengikuti prinsip kerja turbin pelton dimana air yang mengalir ke sudu turbin hanya pada satu sisi saja. Hal tersebut dimaksutkan untuk menjaga agar arah turbin berputar sesuai dengan yang diharapkan. Sedangkan untuk turbin dengan bentuk sudu memilin (pelintir) banyak digunakan pada turbin kaplan yang mana jumlah dari sudu turbin biasanya hanya sedikit dan arah air yang masuk ke sudu turbin tidak hanya berasal dari satu sisi saja melainkan ke seluruh sudu turbin sehingga semua sudu mampu memanfaatkan laju aliran air pada waktu yang bersamaan. Bentuk sudu turbin memilin (pelintir) dihasilkan dari 2 sudut yang berbeda yaitu sudut masuk sudu dan sudut keluaran sudu. Sudut masuk sudu ( 1) lebih besar daripada sudut keluar sudu ( 2), hal tersebut dimaksutkan agar kecepatan air yang masuk lebih besar daripada kecepatan air yang keluar. Hal tersebut menyebabkan daya keluaran air (W2) akan jauh lebih besar daripada daya masuk air (W1) ke sudu. Dengan demikian
48
laju aliran air akan dapat dimanfaatkan secara efisien dan menyebabkan poros mampu berputar secara maksimal. Profil sudu memilin (pelintir) inilah yang dipilih untuk mendesain sebuah turbin mikro hidro dengan prinsip kerja seperti turbin kaplan. Dengan memanfaatkan ketinggian (head) pipa yang mengaliri air dan jatuh dari ketinggian tertentu akibat adanya gaya gravitasi kemudian menekan sudu untuk menggerakkan turbin. Ukuran sudu telah ditentukan sesuai dengan diameter dalam pipa standard. Sudu tersebut akan terpasang pada shaft yang terkunci dengan bentukan bertingkat pada bagian bawah sudu atau biasa disebut pemasangan model christmas tree. Apabila dilihat desain sudu pada kondisi terpasang adalah sebagai berikut :
Gambar 4.4 Detail sudut sudu turbin mikro hidro Sudut yang dihasilkan pada kondisi terpasang yaitu 10 untuk sudut masuk dan 20 untuk sudut keluaran. Sudut inilah yang akan memutar poros turbin pada saat air membentur sudu turbin. Perhitungan putaran sudu pada pipa berdiameter 17,5 inches
49
dan daya yang direncanakan sebesar 30000 watt atau 30 Kw dengan ketinggian pipa pengarah ke sudu turbine sebesar 7,133 m. Penyajian data sebagai berikut : 1. Diameter Pipa = 17,5 inches = 0,4445 m 2. Daya Terencana (Pt) = 30000 watt atau 30 Kw 3. Putaran Generator yang dibutuhkan (Nt) = 1000 rpm 4. Ketinggian pipa pengarah ke sudu turbine = 7,133 m 5. Diameter luar Sudu (D1) = 0,445 m 6. Diameter dalam Sudu (D2) = 0,306 m Perhitungan : 1. Kecepatan Aliran Air ; C (m/det)
2. Luas Penampang Pipa; A (m2)
3. Kapasitas Air yang Mengalir ; V V = A. C V = 0,155 m2 x 11,83 m/s V = 1,83 m3/s
50
Setelah mengetahui kecepatan air didalam pipa yang tertutup dan kapasitas air yang mengalir didalamnya pada ketinggian 7,133 m, putaran yang diharapkan sebesar 1000 Rpm serta diameter lingkar luar (D1) dari sudu turbin yang telah ditentukan yaitu sebesar 0,445 m, maka langkah selanjutnya yaitu menentukan kecepatan tangensial (u1) pada sudu turbin diameter lingkar luar saat berputar. 4. Kecepatan Tangensial pada diameter lingkar luar sudu turbin; u1 (m/s)
Nilai dari kecepatan tangensial tersebut harus dibagi dengan kecepatan aliran pada pipa yang masuk ke sudu turbin, sehingga diperoleh sebagai berikut : 5. u1 = 23,3 / 11,83 (C) = 1,97 m/s Berdasarkan diagram hubungan antara kecepatan spesifik nq dalam menit dengan ukuran-ukuran utama dalam menentukan desain turbin kaplan diperoleh data sebagai berikut : Kecepatan Spesifik (nq) = 240 s Kecepatan Tangensial pada diameter lingkar dalam sudu turbin saat berputar (uN) = 0,78 x 11,83 (dikalikan dengan kecepatan aliran pada pipa tertutup) sehingga hasilnya diperoleh sebesar 9,23 m/s Kecepatan meridian (cm) pengarah = 0,38 x 11,83 = 4,50 m/s
51
Dari ketentuan dimensi maka luas penampang pada sudu turbin yang bekerja dan kecepatan meridian c2m = c2 pada bagian keluar turbin dan yaitu sebesar 6. Luas Penampang Pipa; A (m2)
m2 7. Kecepatan meridian c2m = c2 (m/s)
!
"
!
!
"
!
!
"
!
#
8. Randemen Turbin ;
%$T
& # '
$% $% $% Dengan cu2 = 0 karena c2 adalah pengeluaran yang tegak lurus maka kecepatan masuk bias (cu1), sebagai berikut :
52
9. Kecepatan Masuk Bias ; cu1
!( !( !(
$% )*+*,)*+*
-
.
-
!( !(
m/s
Dengan demikian bentuk dari sudu turbin dapat digambarkan melalui bagan segitiga kecepatan. Bagan tersebut terdiri dari 3 bagian yaitu sudut sudu dibagian diameter dalam (D2), sudut sudu bagian tengah (Dm), Sudut sudu bagian luar (D1). Bagan Segitiga Kecepatan tergambar sebagai berikut : 1. Bagan Segitiga Kecepatan bagian dalam (D2) uN 2 1
C2
C1 W2 3
W1 CU2 x Dari perhitungan sebelumnya diketahui nilai dari uN dan C2 sebagai berikut : uN = 9,23 m/s C22m = C2 = 22,32 m/s
53
Maka besarnya nilai-nilai yang lain dapat dihitung sebagai berikut : a) Sudut keluaran pada diameter dalam sudu ;
/0 1
.
/0 1 /0 1 2
1
b) Daya keluar pada diameter dalam sudu ; W2
3 1
4 2
567
4
4 4 c) Kecepatan Keluar Bias Tangensial ; cu2
!(
$% .
!( !( !(
m/s
d) Kecepatan Masuk Sudu ; c1
! !
!
- !( -
2
54
8
! !
Untuk mendapatkan nilai W1 dan 3,
1,
perlu adanya nilai bantuan yaitu nilai x dan
yang mana nilai x tersebut diperoleh dari hasil pengurangan uN dengan cU2, sebagai
berikut : e) Nilai Variabel x x = uN – cU2 x = 9,23 – 1,744 x = 7,486 m/s f) Sudut bantu ;
/0 19
3
!
/0 19 /0 19 2
19
g) Sudut Masuk sudu pada diameter dalam sudu ; 1
= 900 –
1
= 900 – 18,540
1
= 71,460
3
h) Daya masuk pada diameter dalam sudu ; W1
3 19 567 4
4 2
4
1
55
4 2. Bagan Segitiga Kecepatan bagian tengah (Dm) Urats-rsta 2 1
C2
3
C1 W2
W1
CU2 x
Dari perhitungan sebelumnya diketahui nilai dari urata-rata dan C2 sebagai berikut : Urata-rata = 16,265 m/s C22m = C2 = 22,32 m/s Maka besarnya nilai-nilai yang lain dapat dihitung sebagai berikut : a) Sudut keluaran pada diameter dalam sudu ;
/0 1
)*+*,)*+*
/0 1 /0 1 1
2
b) Daya keluar pada diameter dalam sudu ; W2
3 1
4
2
56
2
567
4
4 4 c) Kecepatan Keluar Bias Tangensial ; cu2
!(
$% )*+*,)*+*
!( !( !(
m/s
d) Kecepatan Masuk Sudu ; c1
!
!
- !(
!
-
! ! Untuk mendapatkan nilai W1 dan 3,
1,
perlu adanya nilai bantuan yaitu nilai x dan
yang mana nilai x tersebut diperoleh dari hasil pengurangan urata-rata dengan cU2,
sebagai berikut : e) Nilai Variabel x x = urata-rata – cU2 x = 16,265 – 0,990 x = 15,275 m/s
57
f) Sudut bantu ;
/0 19
3
!
/0 19 /0 19 2
19
g) Sudut Masuk sudu pada diameter dalam sudu ; 1
= 900 –
1
= 900 – 34,390
1
= 55,610
3
h) Daya masuk pada diameter dalam sudu ; W1
3 19
4 2
567
4
4 4 3. Bagan Segitiga Kecepatan bagian luar (D1) U1 2 1
C2
C1 W2
3
W1 CU2 x
1
58
Dari perhitungan sebelumnya diketahui nilai dari urata-rata dan C2 sebagai berikut : U1 = 23,30 m/s C22m = C2 = 22,32 m/s Maka besarnya nilai-nilai yang lain dapat dihitung sebagai berikut : a) Sudut keluaran pada diameter dalam sudu ;
/0 1 /0 1 /0 1 2
1
b) Daya keluar pada diameter dalam sudu ; W2
3 1 567
4 2
4
4 4 c) Kecepatan Keluar Bias Tangensial ; cu2
!(
%$!( !( !(
m/s
2
59
d) Kecepatan Masuk Sudu ; c1
!
!
- !(
!
-
! ! Untuk mendapatkan nilai W1 dan 3,
1,
perlu adanya nilai bantuan yaitu nilai x dan
yang mana nilai x tersebut diperoleh dari hasil pengurangan urata-rata dengan cU2,
sebagai berikut : e) Nilai Variabel x x = u1 – cU2 x = 23,30 – 0,691 x = 22,609 m/s f) Sudut bantu ;
/0 19
3
!
/0 19 /0 19 2
19
g) Sudut Masuk sudu pada diameter dalam sudu ; 1
= 900 –
1
= 900 – 45,370
1
= 44,630
3
1
60
h) Daya masuk pada diameter dalam sudu ; W1
3 19 567
4 2
4
4 4 Akhirnya bagan bentuk profil sudu jalan bisa dibuat sketsanya. Pada masingmasing bagian sudu yaitu dalam, tengah, dan luar terdapat sudut sudu
1
dan
2
yang
besar. Pada sudut sudu bagian dalam, kelengkungannya adalah lebih besar daripada dengan pertambahan jaraknya keluar. Makin keluar bentuk profil makin menjadi ramping. Pada leher poros sendiri bila berdasarkan ilmu kekuatan, profil memang sudah memerlukan penampang yang lebih besar. Semua sudu bentuknya adalah memilin (plintir).
4.2. Perhitungan Poros Transmisi dan Bantalan Kerucut Poros transmisi berupa poros berlubang vertikal yang disanggah oleh dua buah bantalan tirus / kerucut yang terbuat dari bahan besi baja Fe. 490 (St 50) didesain agar mampu menahan gaya arus (Fa), torsi untuk mengatasi putaran generator dan gaya aksial lainnya. Diagram benda bebas untuk poros transmisi dan beban yang diterimanya ditampilkan pada gambar berikut ini dengan bantalan berada pada titik A dan B.
61
F aksial
F radial
Bantalan 1 Bantalan 2
Gambar 4.5 Posisi bantalan terpasang Spesifikasi daya yang akan dihasilkan generator AC yang digunakan adalah 30 Kw pada putaran 1000 Rpm. Agar aman untuk digunakan maka poros transmisi harus mampu menahan tegangan tekan (σd) dan tegangan puntir akibat beban sudu, daya air dan torsi (T) generator pembangkit listrik sebagai berikut. 1. σB , kekuatan tarik MPa
= 50
2. Sf1, Sf2 faktor keamanan dinamis
= 6 dan 3
Sf1 = faktor keamanan yang bergantung kepada jenis bahan Sf2 = faktor keamanan yang bergantung pada bentuk poros (harga 1,3-3,0) 3. Diameter rata-rata sudu turbin ; DM :
:
-
62
: :
4. Jumlah Keseluruhan Lebar Sudu ; B ; ; ; ; 5. Gaya aksial yang terjadi pada sudu turbin ; Fa <0
' = > ?4
<0
=
4 @
:
;
>
<0 <0
A 0/0
BA
6. Tegangan Tekan yang bekerja pada poros ; d d=
d=
CD E
F 2F G
2 2H
d
Pa
d
MPa
7. Tegangan Tekan yang diijinkan ; a a = σB / (Sf1 x Sf2) a = 50 / (6 x 3)
63
a = 2,78 MPa Dengan demikian Tegangan Tekan yang terjadi pada poros ( d) < daripada tegangan tekan yang diijinkan ( a) sehingga poros akan mampu menahan gaya aksial. Sedangkan untuk Tegangan Puntir yang dialami poros berasal dari beban radial. Beban Radial ini yang juga akan diterima oleh bearing. Oleh karena itu perhitungannya sebagai berikut : 1. Gaya Tangensial yang terjadi pada sudu ; T I
;
:
"
'
4(
4(
I I
kg m/s2 = N atau 1,8 kN
2. Momen Inersia (m4) untuk penampang lingkaran solid ; J J=
J K LM
J=
J K 2 HM
9
9
J = 0,0001031 3. Tegangan Geser Poros ; p p=
p=
2
%KN
K LO
H2F P K 2 2
K 2 HO
p = 690253,60 Pa p = 6,9 MPa
Q
64
4. Tegangan Geser Poros yang diijinkan ; pi pi =
RS %TU*VU*V "*+T)W*XY*VU LWWZWV[*V K \ N
2222 K 2 22229]] P
pi =
2
Q
pi = 35,595 MPa 5. Torsi yang dihasilkan oleh poros ; Tp p=
%^ N \
690253,60 =
%^ 2
Q
2 222 29
Tp = 319,84 Nm 6. Kecepatan Radial Generator =
KJK.
=
K J K 222
_2
_2
= 104,72 rad/d2 7. Torsi yang dibutuhkan generator; Tg Tg =
Tg =
`
a 92222 2P ]
Tg = 286,48 Nm 8. Faktor Keamanan Poros
65
Faktor keamanan poros dihitung berdasarkan tegangan geser yang terjadi dengan tegangan geser yang diijinkan yaitu sebagai berikut ( pi x Sf2)
:
Cb x Kt x p
Dimana : Cb (Faktor koreksi untuk lenturan) : Terjadi pembebanan lentur
Cb = 1,2 – 2,3
Tidak terjadi pembebanan lentur
Cb = 1,0
Kt (Faktor koreksi untuk puntiran) : Faktor Pembebanan Beban dikenakan secara halus
Kt 1,0
Terjadi sedikit kejutan / tumbukan
1,0 – 1,5
Beban dikenakan kejutan / tumbukan besar
1,5 – 3,0
Sehingga perhitungan faktor keamanan poros yaitu sebagai berikut ( pi x Sf2)
:
(Cb x Kt x p)
35,595 x 3
:
2,0 x 3,0 x 6,9
106,785
>
41,4
Faktor keamanan tersebut menunjukkan bahwa faktor dari bahan (tegangan yang diizinkan dan faktor keamanan bahan) lebih besar dibandingkan faktor-faktor gaya yang terjadi pada konstruksi poros tersebut sehingga dapat dikatakan bahan aman. Selain itu juga, Torsi yang dihasilkan pada pembangkit ini (Tp) > Torsi yang dibutuhkan oleh generator (Tg). Dengan demikian turbin mampu memutar generator dan membangkitkan energi listrik sebesar 30000Watt atau 30 kW. Langkah selanjutnya yang penting dalam analisa desain pembangkit listrik tenaga mikro hidro ini adalah pemilihan jenis bantalan. Dalam hal ini terdapat 2 gaya yang
66
bekerja yaitu gaya tangensial dan gaya gesar aksial, oleh karena itu bantalan yang hendak digunakan yaitu menggunakan bantalan tipe “Axial-Radial cylindrical roller bearing”. Bantalan tersebut mampu menahan beban radial dan aksial dari turbin dengan standard spesifikasi yang telah ditentukan. Spesifikasi bantalan sebagai berikut :
d
= 180 mm
D
= 250 mm
H
= 42 mm
C
= 22 mm
B
= 26 mm
C, beban dinamis = 495 kN Co, beban statis = 2040 kN Putaran maksimal= 2600 rpm
Gambar 4.6 Bantalan aksial radial
Setelah mendapatkan besarnya gaya aksial dan radial yang terjadi, maka dapat menghitung beban ekuivalen, sebagai berikut : Perhitungan gaya aksial yang terjadi pada bantalan 1 yaitu sebagai berikut bcd <0
e
e
-
e e
BA
Gaya aksial pada bantalan 1
67
b
<
-e BA
e
Gaya aksial pada bantalan 2
Perhitungan gaya tangensial yang terjadi pada bantalan 1 yaitu sebagai berikut bcd
e
e
-
e BA
e
Gaya tangensial pada bantalan 1
b
<
-e BA
e
Gaya tangensial pada bantalan 2
Faktor kecepatan fn dihitung dari jumlah putaran yaitu sebagai berikut i
99 9 O fn = g h V i
99 9 O fn = g h 222
fn = 0,321 Faktor umur dihitung dari faktor kecepatan, beban dinamis, dan beban ekuivalen, sebagai berikut : fh = fn
N
`
68
fh = 0,321
PFQ222 9Q .
fh = 74,42 fh = fn
pada Bantalan 1
N
`
fh = 0,321
PFQ222 P_Q .
fh = 341,71
pada Bantalan 2
Umur nominal Lh dihitung dari faktor umur yaitu sebagai berikut : Lh = 500 x fh3 Lh = 500 x 74,423 Lh = 206081497 jam
pada Bantalan 1
Lh = 500 x fh3 Lh = 500 x 341,713 Lh = 2x1010 jam
pada Bantalan 2
4.3. Perhitungan Kerangka Dalam hal ini, bagian yang perlu diperhatikan dalam perhitungan yaitu support plate yang tersambung dengan pipa. Selain itu juga yang perlu diperhitungkan selanjutnya yaitu support shaft yang menumpu support plate dengan base plate. Seperti yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini :
69
Support Plate Support Shaft
Gambar 4.7 Posisi Support Plate dan Support Shaft terpasang Tampak pada gambar diatas bahwa support plate merupakan bagian yang tersambung sekaligus menahan beban pipa sepanjang 22 m. Dalam hal ini gaya tekan yang berasal dari gaya aksial diperhitungkan berdasarkan hanya pada berat pipa saja. Perhitungannya sebagai berikut : 1. Data spesifikasi Support Plate sebagai berikut : OD (Outside Diameter)
=
0,650 m
ID (Inside Diameter)
=
0,447 m
Tebal Plate
= 0,02 m
Jenis Material
= ST 50
Berat Jenis Material
= 7900 kg/m3
2. Data Spesifikasi Pipa sebagai berikut : OD (Outside Diameter)
=
18 inches
ID (Inside Diameter)
=
17,5 inches
Wall Thickness
= 0,250 inches
Jenis Material
= Standard
70
Berat Material
= 47,390 (lbs/ft)
3. Perhitungan Berat pipa dengan panjang 7,133 m 7,133 m = 22,966 ft 47,390 lbs = 21,496 kg Panjang 22 m = 21,496 x 22,966 = 493,68 kg 4. Perhitungan Berat Support Plate m = Volume x Berat Jenis m = (( x R12)- ( x R22)) x t x 7900 m = (( x 0,3252)- ( x 0,22352)) x 0,02 x 7900 m = 27,65 kg 5. Gaya aksial yang diterima oleh Support Plate sebesar Fa = m x g Fa = 493,68 x 9,81 Fa = 4843 N 9. Tegangan Tekan yang bekerja pada Support Plate ; d d=
CD
d=
PHP9 G
E
2 ]Q
d
Pa
d
MPa
10. Tegangan Tekan yang diijinkan ; a a = σB / (Sf1 x Sf2) a a = 50 / (6 x 3) a = 2,78 MPa
71
karena d < a, maka Support Plate mampu menahan gaya aksial atau beban pipa, sehingga aman untuk digunakan. Sedangkan untuk total gaya aksial atau beban yang diterima oleh support shaft yaitu sebagai berikut 1. Gaya aksial yang diterima Support Shaft Fa = (m (support plate) x g) + (m (pipa) x g) Fa = (27,65 x 9,81) + (493,68 x 9,81) Fa = 5114,25 N 2. Luas Penampang support shaft yang berjumlah 6 A = x R2 x 6 A = x 0,022 x 6 A = 0,00754 m2 3. Tegangan Tekan yang bekerja pada support shaft ; d d=
CD
d=
Q
E
P Q
2 22]QP
d = 678282,14 Pa d = 0,68 MPa 4. Tegangan Tekan yang diijinkan ; a a = σB / (Sf1 x Sf2) a a = 50 / (6 x 3) a = 2,78 MPa karena d < a, maka Support Shaft mampu menahan gaya aksial atau beban pipa dan support plate, sehingga aman untuk digunakan.
72
4.4. Rekapitulasi Data Hasil Perhitungan Data
Data Terencana 1. Diameter Pipa 2. Daya Terencana 3. Putaran Generator 4. Ketinggian Pipa 5. Diameter Dalam Sudu 6. Diameter Tengah Sudu 7. Diameter Luar Sudu Sudu Turbin 1. Kecepatan Aliran Air 2. Kapasitas Air 3. Randemen Turbin Segitiga Kecepatan Bagian Dalam 1. Sudut Masuk Sudu 2. Sudut Keluar Sudu 3. Kecepatan Masuk Relatif 4. Kecepatan Keluar Relatif Segitiga Kecepatan Bagian Tengah 1. Sudut Masuk Sudu 2. Sudut Keluar Sudu 3. Kecepatan Masuk Relatif 4. Kecepatan Keluar Relatif Segitiga Kecepatan Bagian Luar 1. Sudut Masuk Sudu 2. Sudut Keluar Sudu 3. Kecepatan Masuk Relatif 4. Kecepatan Keluar Relatif Poros 1. Gaya Aksial 2. Tegangan Tekan 3. Gaya Tangensial 4. Tegangan Geser 5. Torsi Bantalan Aksial Radial 1. Diameter Dalam (d) 2. Diameter Luar (D) 3. Lebar Bantalan (H) 4. Lebar Bantalan Luar (C) 5. Lebar Bantalan Dalam (B) 6. Beban Dinamis (C)
Nilai : : : : : : :
0,4445 m 30 kW 1000 rpm 7,133 m 0,306 m 0,375 m 0,445 m
: : :
11,83 m/s 1,83 m3/s 0,23
: : : :
71,460 67,530 23,54 m/s 24,15 m/s
: : : :
55,610 53,920 27,04 m/s 27,62 m/s
: : : :
44,630 43,770 31,77 m/s 32,27 m/s
: : : : :
1,3 kN 0,016 MPa 1,8 kN 6,9 MPa 319,84 Nm
: : : : : :
180 mm 250 mm 42 mm 22 mm 26 mm 495 kN
Keterangan
73
7. Beban Statis (Co) 8. Putaran Maksimal 9. Beban Aktual pada Bantalan 1 10. Beban Aktual pada Bantalan 2
: : : :
2040 kN 2600 rpm 2135 N 465 N
Dengan demikian perhitungan secara manual untuk analisa perhitungan sudu turbin, kekuatan poros penyangga dan kerangga sudah dapat diketahui dan konstruksi dapat dinyatakan aman untuk digunakan sebagai pembangkit listrik tenaga mikro hidro. Akan tetapi untuk mendukung perhitungan secara manual, diperlukan adanya analisis berdasarkan program analisis dari software analisis yang ada. Dalam hal ini, penulis menggunakan software ansys dengan metode fluent sebagai salah satu perbandingan untuk mengetahui tingkat keamanan dan kelayakan terhadap desain pembangkit listrik mikro hidro ini.
4.5. Simulasi Aliran Air Pada Sistem Turbin Mikro Hidro Perhitungan secara manual menentukan bentuk dari sudu turbin dan keseluruhan kerangka dari sistem turbin pembangkit listrik mikro hidro. Keseluruhan bentuk tersebut didesain dengan menggunakan software desain. Dalam hal ini penulis menggunakan software autodesk inventor professional untuk mendesain keseluruhan sistem pembangkit listrik mikro hidro. Akan tetapi, pada bab ini penulis tidak menyajikan keseluruhan desain yang sudah tergambar. Penyajian desain secara detail dan keseluruhan akan disajikan pada bab terlampir. Hasil dari analisis pembangkit listrik tenaga mikro hidro ini bertujuan untuk mengetahui air yang mengalir dari pipa melewati sudu-sudu turbin. Aliran air ini tentunya akan mempengaruhi pergerakan sudu turbin sekaligus akan merubah tipe aliran. Pada bab II telah dijelaskan mengenai pengertian sekaligus perbedaan antara
74
aliran laminar dan turbulen. Air yang mengalir dari pipa tertutup melewati sudu turbin akan mengalami perubahan dari aliran laminar menjadi turbulen. Perubahan aliran ini tentunya yang akan mempengaruhi putaran dari poros turbin. Dengan bentuk sudu memilin (plintir) akan mengurangi gaya putaran balik dari akibat adanya perubahan aliran menjadi turbulen. Aliran turbulen terjadi akibat adanya aliran yang membentur sudu turbin pada bagian dalam dengan aliran yang menuju sudu turbin pada bagian tengah dan luar. Aliran turbulen akan lebih besar terjadi apabila terdapat ruang atau celah laju aliran antar sudu turbin. Oleh karena itu, desain dari sudu turbin yang terpasang ke poros penyangga didesain tanpa adanya ruang atau celah laju aliran antar sudu turbin satu ke sudu turbin yang lain. Ruang atau celah laju aliran antar sudu yang dimaksutkan dalam hal ini yaitu pitch atau gang antar sudu. Pitch atau gang antar sudu didesain untuk jarak sedekat mungkin sehingga. Jadi jika dilihat dari sisi aksial, air yang jatuh akan menyentuh seluruh sudu turbin tanpa ada ruang atau celah antar sudu yang menghambat putaran sudu turbin. Ruang atau celah antar sudu yang terlalu besar akan mengakibatkan putaran turbin akan terhambat dan pengaruh yang lebih besar dari pada itu yaitu turbin akan berputar berlawanan arah atau tidak sesuai dengan putaran yang diinginkan. Simulasi pergerakan air yang masuk ke dalam sistem turbin mikro hidro ini berdasarkan program analisis dengan menggunakan software ansys dengan metode Fluent, sebagai berikut :
4.5.1.
Data Input Data masukan untuk proses analisis ini yaitu sebagai berikut : 1. Velocity Magnitude = 11,83 m/s 2. Material = Water-liquid
75
3. Density = 998,2002 kg/m3 4. Pressure = 69974,73 Pa 5. Velocity = 11,83 m/s 6. Number of iterations = 1000 (pada Run calculation)
4.5.2.
Hasil Analisa Hasil analisa yang diperoleh adalah sebagai berikut
Gambar 4.8 Kecepatan aliran air dari pipa yang melewati sudu turbin Aliran air yang mengalir sebelum memasuki sudu turbin merupakan aliran laminar dimana aliran ini bergerak secara lancar. Sedangkan aliran air setelah melewati sudu turbin merupakan tipe aliran turbulen dimana pergerakan dari partikel-partikel fluida sangat tidak menentu karena mengalami percampuran serta putaran partikel antar lapisan, yang mengakibatkan saling tukar momentum dari satu bagian fluida kebagian fluida yang lain. Keadaan aliran turbulen ini membangkitkan tegangan geser yang merata di seluruh fluida.
76
Apabila dilihat pada bagian poros, bagian yang mengalami tekanan terbesar yaitu pada bagian pelor turbin. Pelor turbin berfungsi mengarahkan aliran ke sudu-sudu turbin. Besarnya kecepatan yang mengalir pada pipa setinggi 7,133 m ini yaitu 11,83 m/s. Penggambaran pelor turbin mengalami pressure terbesar seperti pada gambar berikut ini :
Gambar 4.9 Tekanan yang dialami poros penyangga Terlihat pada gambar dimana bagian berwarna merah pada pelor turbin mengalami tekanan yang lebih besar daripada bagian yang lain. Besarnya tekanan yang diterima oleh pelor turbin dari ketinggian air jatuh 7,133 m, sebagai berikut : & ' & &
B j
77
Tekanan yang diterima oleh pelor turbin secara berulang-ulang ini akan mnyebabkan terjadinya pengikisan material pada pelor turbin. Oleh karena itu, material yang dipilih harus sesuai dan mampu menahan tekanan dari air jatuh semaksimal mungkin.
