DISTRIBUSI TEKANAN FLUIDA PADA NOZEL TURBIN PELTON BERSKALA MIKRO DENGAN MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK SOLIDWORKS
Dr. Rr. Sri Poernomo Sari ST., MT. *), Muharom Firmanzah **) *)
Dosen Teknik Mesin Universitas Gunadarma **)
Alumni Teknik Mesin Universitas Gunadarma
ABSTRAKSI
Dalam penulisan skripsi ini dibahas mengenai distribusi tekanan fluida pada nozel turbin pelton berskala mikro dengan menggunakan perangkat lunak SOLIDWORKS. Analisis tersebut dilakukan di dalam nozel dengan terlebih dahulu melakukan perhitungan matematis untuk mencari nilai debit aliran, volume, kecepatan aliran, laju aliran massa serta jenis aliran pada nozel dengan diameter 6 mm, 8 mm, dan 10 mm. Hasil dari perhitungan matematis tersebut akan disimulasikan dengan menggunakan perangkat lunak SOLIDWORKS. Berdasarkan dari perhitungan matematis dan hasil simulasi tersebut, bahwa putaran maksimum pada bukaan 0
katup 90 menghasilkan sekitar 1585 RPM untuk diameter nozel 6 mm, sedangkan pada 0
bukaan katup 45 menghasilkan putaran sekitar 823 RPM. Debit aliran maksimum terjadi pada 0
bukaan katup 90 yaitu sekitar 0,83 x10
-3
3
m /s pada diameter 10 mm. Kecepatan aliran 0
maksimum yang dihasilkan adalah sekitar 13,07 m/s pada bukaan katup 90 untuk diameter nozzle 6 mm. sehingga Semakin besar bukaan katup, maka debit aliran fluidanya akan semakin besar tetapi kecepatan dan tekanan fluidanya akan menurun. Sedangkan Laju aliran massa 0
fluida terbesar adalah sekitar 0,83 kg/s untuk diameter 10 mm pada bukaan katup 90 . Dalam 0
proses pengujian kali ini, aliran Turbulen terjadi pada bukaan katup 90 dan aliran Transisi 0
terjadi pada bukaan katup 45 . Sedangkan tekanan output maksimum yang diperoleh untuk 0
diameter nozel 6 mm adalah sekitar 161866 Pa pada bukaan katup 45 dan 153802 Pa pada 0
bukaan katup 90 . Untuk tekanan output maksimum yang diperoleh untuk diameter nozel 8 mm 0
0
adalah sekitar 129743 Pa pada bukaan katup 45 dan 81425,7 Pa pada bukaan katup 90 . Sedangkan untuk tekanan output maksimum yang diperoleh untuk diameter nozel 10 mm 0
0
adalah sekitar 108339 Pa pada bukaan katup 45 dan 23820,4 Pa pada bukaan katup 90 .
Kata Kunci : Turbin Pelton, Distribusi Tekanan, SOLIDWORKS
I.
PENDAHULUAN Saat
ini
sudu jalan yang diputar oleh pancaran air
Negara
berkembang
di
yang
disemprotkan
dari
satu
atau
dunia, khususnya Indonesia telah membuat
beberapa nozel. Turbin Pelton adalah salah
turbin air jenis mini dan mikro hydro yang
satu dari jenis turbin air yang paling efisien.
merupakan salah satu energi terbarukan
Turbin Pelton adalah turbin yang cocok
yang mempunyai kapasitas ≥ 100 MW
digunakan untuk head tinggi seperti yang
untuk skala besar, ≤ 5 MW untuk skala kecil
diperlihatkan pada Gambar 2.1 mengenai
dan ≤ 100 KW untuk skala mikro. Beberapa
gambar sudu turbin Pelton.
(10)
keuntungan dari turbin jenis ini antara lain : bahan
bakar
serta
bahan
penunjang
lainnya sudah tersedia di alam, sumber energi tidak akan habis yaitu berupa air, emisi gas buang yang dihasilkan tidak akan membawa
dampak
yang
Gambar 2.1 Sudu Turbin Pelton
(3)
signifikan
terhadap lingkungan, turbin jenis ini tidak
2.1.1 Komponen Turbin Pelton Berskala
membutuhkan tenaga yang cukup terampil dalam proses pembuatannya maupun biaya
Mikro 2.1.2 Pompa Sentrifugal
perbaikannya apabila terjadi kerusakan.
Pompa
sentrifugal
ini
menghisap
Sedangkan kekurangan dari turbin jenis ini
fluida
antara lain : arus air bervariasi sepanjang
mengubah
tahun sehingga menyebabkan ketersediaan
mentransformasikannya ke tekanan saat
air yang terkadang tidak menentu serta
fluida terlepas dari pompa melalui pipa-pipa
kapasitas listrik yang dihasilkan dari turbin
pengalir. Seperti yang ditunjukkan pada
jenis
Gambar 2.2 merupakan contoh gambar
ini
tidak
terlalu
besar
jika
dibandingkan dengan turbin-turbin dengan
dari
bak
penampungan
kecepatan
fluida
dan
kemudian
pompa sentrifugal.
skala besar. Tujuan Penulisan Tugas Akhir ini untuk menganalisis distribusi tekanan fluida pada nozel turbin Pelton berskala mikro dengan menggunakan perangkat lunak SOLIDWORKS.
Proses
dilakukan
mempermudah
untuk
simulasi
ini
dalam
Gambar 2.2 Pompa Sentrifugal
menganalisis distribusi tekanan maksimum fluida yang mampu dicapai nozel tersebut.
2.1.3 Bak Penampung Air Bak penampung ini berfungsi sebagai
II.
LANDASAN TEORI
tempat penampungan air yang digunakan
2.1
Turbin Pelton
untuk mensuplai kebutuhan pompa dalam
Turbin
pelton
merupakan
turbin
impuls. Turbin Pelton terdiri dari satu set
memperoleh air seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3.
torsi pada poros sudu dimana aliran air yang ditembakkan oleh nozel kearah sudu mengakibatkan daun-daun sudu terdorong dan berputar seperti yang tampak pada Gambar 2.6. Gambar 2.3 Bak Penampungan Air
2.1.4 Pipa Pipa merupakan komponen
yang
berfungsi sebagai penghubung antara satu komponen dengan komponen lainnya serta
Gambar 2.6 Sudu Turbin Pelton Berskala
sebagai sarana untuk mengalirkan fluida air
Mikro
seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4. 2.1.7 Katup Pengatur Tekanan Katup
pengatur
tekanan
ini
mempunyai fungsi untuk mengatur tekanan fluida
yang akan dteruskan ke
nozel
sehingga debit aliran yang masuk ke turbin
Gambar 2.4 Pipa Pengalir
bisa terkontrol sperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2.7.
2.1.5 Nozel Nozel adalah berfungsi untuk mengarahkan pancaran air ke sudu turbin, mengubah tekanan
menjadi
memutar
sutu
energi turbin.
kinetik
untuk
Seperti
yang
ditunjukkan pada Gambar 2.5. Gambar 2.7 Katup Pengatur Tekanan
2.1.8 Selang Selang pada turbin Pelton berfungsi sebagai penghubung serta sarana untuk fluida mengalir. Tetapi biasanya dialiri untuk Gambar 2.5 Nozel Turbin Pelton Berskala
fluida yang memiliki tekanan lebih kecil .
Mikro 2.1.9 Generator 2.1.6 Sudu
Generator merupakan komponen
merupakan sarana untuk merubah
turbin air yang brfungsi untuk mengubah
energi air menjadi energi mekanik berupa
energi mekanik menjadi energi listrik seperti yang tampak pada Gambar 2.8.
menyediakan feature-based dan parametric solid
modeling.
parametric
ini
Feature-based yang
akan
dan sangat
mempermudah bagi penggunanya dalam membuat model 3D karena hal ini akan membuat
Gambar 2.8 Generator Mikro
model 2.2
penggunanya
sesuai
bisa
dengan
membuat
keinginannya.
CATIA
Tampilan perangkat lunak SOLIDWORKS
Perangkat lunak CATIA (Computer
tidak jauh berbeda dengan perangkat lunak
Aided
Three-Dimensional
Interactive
Application) merupakan program komputer
lain seperti yang tampak pada Gambar 2.10.
yang dibuat dengan mendasarkan pada teori
yang terdapat dalam
perumusan
metode elemen hingga. Perangkat lunak CATIA juga berguna untuk mendesain, memperbaiki,
menganalisis
dan
memproduksi produk yang akan dibuat.
Gambar 2.28 Tampilan Awal Perangkat
Dengan adanya perangkat lunak tersebut
Lunak SOLIDWORKS
yang mempunyai kemampuan lebih luas membuka wawasan baru bagi peneliti untuk
III.
METODOLOGI
PERANCANGAN
menyelesaikan permasalahan lebih cepat.
POROS,
SUDU
Tampilan
TURBIN
PELTON
prototipenya
juga
bisa
DAN
NOZEL
BERSKALA
ditampilkan pada layar komputer, sehingga
MIKRO DENGAN MENGGUNAKAN
orang yang awam di bidang teknikpun
PERANGKAT LUNAK CATIA
dapat mengetahui dengan mudah. Seperti yang
ditunjukkan
merupakan
pada
lembar
Gambar
kerja
awal
3.1
Perancangan
2.9
Nozel
dari
Mikro
Turbin
Poros, Pelton
Sudu
dan
Berskala
perangkat lunak CATIA.
Gambar 2.9 Lembar Kerja Awal Perangkat Lunak CATIA
2.3
SOLIDWORKS Perangkat
lunak
SOLIDWORKS
dalam pengambaran/pembuatan model 3D
Gambar 3.1 Diagram Alir Perancangan Poros, Sudu dan Nozel Turbin Pelton Berskala Mikro
3.2
Pembuatan Sketsa Poros, Sudu dan Nozel Turbin Pelton Untuk memulai pembuatan geometri,
terlebih dahulu dibuat garis-garis yang Gambar 3.4 Nozel Diameter 6 mm
membentuk komponen poros dan sudu turbin
Pelton
berskala mikro ini
atau
Dengan Menggunakan Perangkat Lunak CATIA
membuat model 2D yang kemudian kita ubah menjadi model 3D untuk dilakukannya proses
perakitan dan
analisis. Proses
selanjutnya adalah proses penggambaran poros dan sudu turbin Pelton dengan menggunakan
perangkat
lunak
CATIA
seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 3.2 dan Gambar 3.3.
Gambar 3.5 Nozel Diameter 8 mm Dengan Menggunakan Perangkat Lunak CATIA
Gambar 3.6 Nozel Diameter 10 mm Gambar 3.2 Poros Turbin Pelton Dengan
Dengan Menggunakan Perangkat Lunak
Menggunakan Perangkat Lunak CATIA
CATIA
3.3
Perakitan Poros dan Sudu Turbin Pelton
Dengan
Menggunakan
Perangkat Lunak CATIA Sebelum
melakukan
suatu
assembly design di perangkat lunak CATIA, terlebih Gambar 3.3 Sudu Turbin Pelton Dengan Menggunakan Perangkat Lunak CATIA
dahulu
dilakukan
pembuatan
lembar kerja baru karena dalam assembly design
ini
diperlukan
pemanggilan
beberapa part yang akan dirakit menjadi Sedangkan
seperti
yang
tampak
pada Gambar 3.4, 3.5 dan 3.6 adalah gambar nozel dengan variasi diameter berbeda.
satu komponen mesin tertentu. Seperti Gambar
3.7
yang
ditunjukkan
merupakan
hasil
pada proses
perakitan antara poros dan sudu turbin Pelton dengan menggunakan perangkat lunak CATIA.
terhubung dengan saluran nozel dimana nozel berfungsi sebagai pemancar air yang dipancarkan langsung ke arah sudu turbin sehingga sudu turbin berputar. Pada sudusudu turbin, energi aliran diubah menjadi energi
mekanik
yang
kemudian
akan
menghasilkan putaran roda turbin (RPM). Kemudian air yang telah digunakan untuk Gambar 3.7 Perakitan Poros dan Sudu
memutar sudu turbin jatuh kedalam bak
Turbin Pelton Dengan Menggunakan
penampung untuk kembali ke tahap awal
Perangkat Lunak CATIA
3.4
sehingga terjadilah sirkulasi aliran.
Cara Kerja Turbin Pelton Berskala Mikro
IV.
PERHITUNGAN dan ANALISIS DATA
Gambar 3.8 Diagram Alir Cara Kerja Turbin Pelton Berskala Mikro
Gambar 4.1 Diagram Alir Proses Pengujian dan Analisis Data Pada Turbin
Seperti
yang
ditunjukkan
pada
Gambar 3.8, Air ditampung di dalam bak penampung, kemudian air yang berada pada bak penampung dihisap oleh pompa dimana pompa berfungsi untuk menghisap dan memompa air untuk dialirkan ke sudu turbin. Namun aliran air tidak langsung mengarah ke sudu turbin melainkan harus melewati pipa-pipa saluran yang telah diberi katup buka dan tutup sehingga laju aliran air dapat diatur sesuai dengan yang diinginkan. Kemudian katup-katup tersebut
Pelton
4.1
Pengambilan Data Dengan Alat Ukur
4.2
Perhitungan Matematis
Tabel 4.4 Debit (Q), Kecepatan (v), Laju
4.1.1 Pengambilan Data Volume Dengan
Aliran Massa (ṁ) dan Bilangan Reynold
Menggunakan Gelas Ukur Tabel 4.1 Data Volume Fluida Air Dalam Waktu 3 Detik
4.1.2 Pengambilan Data Putaran Sudu Turbin
Dengan
Menggunakan
Tachometer Tabel 4.2 Putaran Poros Sudu Turbin Pelton Berskala Mikro
Gambar 4.2 Diagram Batang Perbandingan Antara Debit Aliran Fluida Terhadap Putaran Sudu Turbin Pelton Berskala Mikro Untuk Diameter Nozel 6 4.1.3 Pengambilan Data Tekanan Input Nozel
Dengan
Menggunakan
mm, 8 mm dan 10 mm Pada Bukaan Katup 45
0
Pressure Gauge Tabel 4.3 Tekanan Fluida Air Pada Nozel Turbin Pelton Berskala Mikro
Gambar 4.3 Diagram Batang Perbandingan Antara Debit Aliran Fluida Terhadap Putaran Sudu Turbin Pelton Berskala Mikro Untuk Diameter Nozel 6 mm, 8 mm dan 10 mm Pada Bukaan Katup 90
0
4.3
Analisis SOLIDWORKS
4.3.1 Analisis Tekanan Untuk Diameter Nozel 6 mm Pada Bukaan Katup
4.3.4 Analisis Tekanan Untuk Diameter Nozel 8 mm Pada Bukaan Katup 0
90
0
45
4.3.5 Analisis Tekanan Untuk Diameter 4.3.2 Analisis Tekanan Untuk Diameter Nozel 6 mm Pada Bukaan Katup
Nozel 10 mm Pada Bukaan Katup 0
45
0
90
4.3.6 Analisis Tekanan Untuk Diameter 4.3.3 Analisis Tekanan Untuk Diameter Nozel 8 mm Pada Bukaan Katup 0
45
Nozel 10 mm Pada Bukaan Katup 0
90
V.
PENUTUP
dihasilkan lebih besar dari 4000,
Berdasarkan dari hasil pengamatan,
maka
bisa
dikatakan
aliran
perhitungan matematis maupun dari hasil
tersebut bersifat Turbulen. Dalam
simulasi dengan menggunakan perangkat
proses pengujian kali ini, aliran
lunak
Turbulen terjadi pada bukaan
SOLIDWORKS,
dapat
diambil
0
beberapa kesimpulan sebagai berikut :
katup 90
dan aliran Transisi 0
terjadi pada bukaan katup 45 . 1.
Putaran maksimal yang mampu dicapai pada nozel berdiameter 6 mm adalah sekitar 823 RPM 0
pada bukaan katup 45 dan 1585 0
RPM pada bukaan katup 90 .
4.
Sedangkan
berdasarkan
hasil
simulasi dengan menggunakan perangkat lunak SOLIDWORKS, tekanan output maksimum yang diperoleh untuk diameter nozel 6
2.
Semakin besar bukaan katup,
mm adalah sekitar 161866 Pa
maka debit aliran fluidanya akan
pada bukaan katup 45
semakin besar tetapi kecepatan
153802 Pa pada bukaan katup
dan
90 .
tekanan
fluidanya
akan
menurun.
0
Untuk
tekanan
0
dan
output
maksimum yang diperoleh untuk diameter nozel 8 mm adalah
3.
Bilangan
biasa
sekitar 129743 Pa pada bukaan
mengetahui
katup 45 dan 81425,7 Pa pada
jenis aliran fluida yang cenderung
bukaan katup 90 . Sedangkan
dipengaruhi oleh kecepatan fluida
untuk tekanan output maksimum
maupun dari besarnya diameter
yang diperoleh untuk diameter
nozel yang digunakan. Semakin
nozel 10 mm adalah sekitar
besar kecepatan fluida maupun
108339 Pa pada bukaan katup
diameter nozel yang digunakan,
45 dan 23820,4 Pa pada bukaan
maka aliran tersebut cenderung
katup 90 .
digunakan
Reynold untuk
0
0
0
0
bersifat turbulen. Biasanya bila jumlah bilangan Reynold yang 2. Carolina, Pemanfaatan Tenaga Air, Di akses melalui situs internet : DAFTAR PUSTAKA
http://home.carolina.rr.com/microhy
1. Aneva Gunawan, Pemanfaatan
dro, 2 September 2011.
Energi Terbarukan, Di akses
3. Claydon F John, Water Turbine, Di
melalui situs Internet :
akses melalui situs Internet :
http://gunawananeva.wordpress.co
http://europa.eu.int/en/comm/dg17/
m, 3 September 2011.
hydro/layman2.pdf, 2 September 2011.
4. Fritz Dietzel, Dakso Sriyono, Turbin Pompa dan Kompresor, Penerbit Erlangga, Jakarta, 2006. 5. M. White Frank, Mekanika Fluida Edisi Kedua Jilid 1, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1986. 6. Pudjanarso, Astu dan Nursuhud Djati., Mesin Konversi Energi, Edisi Revisi, Yogyakarta : Andi, 2008. 7. Reuben M. Olso, Steven j. Wraight. Essentials of Engineering Fluid Mechanics. Harper & Row Publisher , inc, 1990. 8. RISTEK, Klasifikasi Turbin Air, Di akses melalui situs Internet : http://www.crayonpedia.org/mw, 3 September 2011. 9. Prabowo Sigit Agung, SOLIDWORKS 3D CAD, Di akses melalui situs Internet : http://ilmukomputer.org/2009/02/28/ solidworks-3d-cad/. 25 Oktober 2011. 10. Victor I, Streeter, Fluid Mechanics. McGraw-Hill, Inc. 1985. 11. Wikipedia, Spray Nozzle, Di akses melalui situs Internet : http://en.wikipedia.org/wiki/Spray_N ozzle, 4 Januari 2012. 12. Wikipedia, Water Turbine Classification, Di akses melalui situs Internet : http://en.wikipedia.org/wiki/francis_t urbine, 2 September 2011.
