PERENCANAAN SERTA PEMBUATAN PROTOTIPE TURBIN AIR TERAPUNG BERSUDU DATAR DENGAN MEMANFAATKAN KECEPATAN ALIRAN AIR SUNGAI

PERENCANAAN SERTA PEMBUATAN PROTOTIPE TURBIN AIR TERAPUNG BERSUDU DATAR DENGAN MEMANFAATKAN KECEPATAN ALIRAN AIR SUNGAI

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

JHON ARYANTO GLAD SARAGIH NIM. 040401062

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2009

Jhon Aryanto Glad Saragih : Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Datar Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai, 2009. USU Repository © 2009

KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Kuasa, atas segala karunia dan anugerah-Nya yang senantiasa diberikan sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini. Tugas Sarjana ini merupakan salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun Tugas Sarjana yang dipilih, diambil dari mata kuliah Sistem Perpipaan, yaitu “Perencanaan serta pembuatan prototipe turbin air terapung bersudu rata dengan memanfaatkan kecepatan aliran air sungai”. Dalam penulisan Tugas Sarjana ini, penulis telah berupaya dengan segala kemampuan pembahasan dan penyajian, baik dengan disiplin ilmu yang diperoleh dari perkuliahan, menggunakan literatur serta bimbingan dan arahan dari Dosen Pembimbing. Pada kesempatan ini, penulis tidak lupa menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1.

Bapak Ir.M. Syahril Gultom, MT sebagai dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktunya dan dengan sabar membimbing saya hingga tugas ini dapat terselesaikan.

2.

Bapak Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, DEA sebagai dosen penguji 1 sidang tugas sarjana yang banyak membimbing dan memberi saran pada penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.

3.

Bapak Ir. Tekad Sitepu sebagai dosen penguji 2 sidang tugas sarjana yang banyak membimbing dan memberi saran pada penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.

4.

Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT, selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik USU.

5.

Kedua orang tua tercinta, P. Saragih dan R. br. Hutabarat, dan adik yang saya sayangi (Herlinawati Saragih). Doa, canda tawa dan kasih sayang yang selalu menyertai saya dalam menyelesaikan pendidikan ini.


6.

Bapak Ir. Syahrul Abda, M.Sc. selaku dosen wali saya.

7.

Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.

8.

Rekan-rekan Teknik Mesin, khususnya rekan-rekan stambuk 2004 yang selalu memberikan semangat dan dukungan doanya kepada penulis.

9.

Kelompok Kecil ( KK ) Joyful ( K’Eva, Raul, Firma, Ros ) dan P.D maranatha yang terus membantu penulis dalam doa dan dukungannya dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini.

10.

Rekan-rekan satu kost-kost an yang berada di jalan harmonika no.53 P. Bulan

yang

selalu

memberikan

semangat

kepada

penulis

dalam

menyelesaikan Tugas Sarjana ini. 11.

Serta semua pihak yang banyak membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini. Penulis menyadari bahwa Tugas Sarjana ini masih jauh dari sempurna,

oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun demi penyempurnaan di masa mendatang. “The fear of the LORD is the beginning of knowledge: but fools despise wisdom and instruction” . Akhir kata, penulis berharap semoga tulisan ini bermanfaat bagi kita semua.

Medan,

Maret 2009 Penulis,

Jhon A G Saragih 04 0401 062 Jhon Aryanto Glad Saragih : Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Datar Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai, 2009. USU Repository © 2009

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ................................................................................... i LEMBAR PENGESAHAN DARI DOSEN PEMBIMBING..................... ii LEMBAR PENGESAHAN DARI DOSEN PEMBANDING .................... iii SPESIFIKASI TUGAS ............................................................................... iv LEMBAR EVALUASI SEMINAR SKRIPSI ............................................ v KATA PENGANTAR ................................................................................. vi DAFTAR ISI ............................................................................................... viii DAFTAR TABEL ....................................................................................... x DAFTAR GAMBAR ................................................................................... xi DAFTAR SIMBOL ..................................................................................... xiii BAB I PENDAHULUAN ............................................................................ 1 1.1 Latar Belakang ............................................................................. 1 1.2 Tujuan Perencanaan .................................................................... 2 1.3 Batasan Masalah .......................................................................... 2 BAB II TINJAUAN PUSTAKA ................................................................. 3 2.1 Sudu-Sudu Turbin........................................................................ 3 2.2 Turbin Air..................................................................................... 4 2.2.1 Turbin Reaksi ................................................................... 4 2.2.2 Turbin Impuls ................................................................... 6 2.3 Klasifikasi Turbin Air .................................................................. 10 2.3.1 Berdasarkan Tinggi Tekan ............................................... 10 2.3.2 Berdasarkan Arah Aliran ................................................. 10 Jhon Aryanto Glad Saragih : Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Datar Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai, 2009. USU Repository © 2009

2.3.3 Berdasarkan Tenaga Yang Dihasilkan ............................ 11 2.3.4 Berdasarkan Kecepatan Spesifik ..................................... 11 2.4 Penggerak/Pemutar Berbagai Macam Turbin ............................ 12 BAB III DASAR-DASAR PERENCANAAN ............................................ 13 3.1 Dasar Pemilihan Jenis Prototipe .................................................. 13 3.2 Penentuan Lokasi ......................................................................... 13 3.3 Kondisi Dasar Sungai ................................................................... 15 3.4 Bentuk Aliran Sungai ................................................................... 15 3.5 Model Sudu Turbin ...................................................................... 16 3.6 Penentuan Diameter Sudu Turbin ............................................... 16 3.7 Model Turbin................................................................................ 16 BAB IV ANALISA PERENCANAAN TURBIN ....................................... 20 4.1 Rancangan I .................................................................................. 20 4.2 Rancangan II ................................................................................ 24 4.3 Rancangan III ............................................................................... 28 4.4 Analisa Daya Turbin Yang Dihasilkan ........................................ 32 BAB V KESIMPULAN............................................................................... 39 DAFTAR PUSTAKA .................................................................................. 40 LAMPIRAN


DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 2.1 Jenis Turbin Berdasarkan Arah Aliran

10

Tabel 2.2 Jenis Turbin Berdasarkan Kecepatan Spesifik

11


DAFTAR GAMBAR

Halaman Gambar 2.1 Turbin Francis

5

Gambar 2.2 Sketsa Turbin Francis

5

Gambar 2.3 Turbin Kaplan

6

Gambar 2.4 Turbin Pelton

7

Gambar 2.5a Sudu Turbin Pelton

8

Gambar 2.5b Nosel

8

Gambar 2.6 Turbin Crossflow

9

Gambar 2.7 Penggerak/Pemutar Berbagai Macam Turbin

12

Gambar 3.1 Pengukuran Kecepatan Aliran Air

14

Gambar 3.2 Model Turbin Yang Dirancang

17

Gambar 4.1 Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk Titik Pengujian I

20

Gambar 4.2 Analisa Kecepatan Pada Sisi Keluar Titik Pengujian I

22

Gambar 4.3 Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar Titik Pengujian I

22

Gambar 4.4 Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk Titik Pengujian II

24

Gambar 4.5 Analisa Kecepatan Pada Sisi Keluar Titik Pengujian II

26

Gambar 4.6 Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar Titik Pengujian II

26


Gambar 4.7 Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk Titik Pengujian III

28

Gambar 4.8 Analisa Kecepatan Pada Sisi Keluar Titik Pengujian III

30

Gambar 4.9 Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar Titik Pengujian III

30


DAFTAR SIMBOL

Simbol

Keterangan

Satuan

A

Luas permukaan

m2

C

Kecepatan Absolut Fluida

m/s

D

Diameter

m

n

Putaran

rpm

r

Jari-jari ( radius )

m

U

Kecepatan Tangensial

m/s

W

Kecepatan Relatif

m/s

π

Pi

α

Sudut Aliran ( sudut antara C dengan U )

0

β

Sudut Sudu ( sudut antara W dengan U )

0

ω

Kecepatan Sudut

rad/s

F

Gaya

N

m

Laju aliran massa

kg/s

Q

Kapasitas Aliran

m3 / s

v

Kecepatan aliran fluida

m/s

ρ

Densitas air

kg/ m 3

T

Torsi ( momen punter )

Nm

P

Daya

w

.


BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Potensi tenaga air merupakan salah satu dari sumber energi baru terbarukan yang murah dan ramah lingkungan. Potensi tersebut sampai saat ini belum dimanfaatkan secara maksimal untuk memenuhi kebutuhan tenaga listrik di pedesaan, khususnya untuk desa-desa terpencil yang belum terlistriki dan belum terjangkau oleh jaringan listrik PT. PLN (Persero) karena alasan teknis dan ekonomis. Kebutuhan tenaga listrik bagi desa-desa terpencil dengan tingkat konsumsi listrik yang masih rendah memerlukan kapasitas pembangkit yang relatif kecil. Hal ini dapat dipenuhi dengan memanfaatkan potensi tenaga air yang ada dan terletak disekitar mereka. Aliran sungai dan saluran irigasi dengan debit yang cukup besar juga dapat dimanfaatkan untuk membangkitkan listrik dengan kapasitas kecil ini. Prinsip kerja turbin ini didukung oleh sudu-sudu yang ada pada turbin. Sudu-sudu ini berfungsi untuk mengatur tekanan arus air sungai agar dapat memutar turbin. Gerakan turbin rnenimbulkan energi putar yang diteruskan ke poros, kemudian diteruskan transmisi percepatan dan akhirnya untuk memutar dinamo pembangkit listrik. Bentuk sudu sangat mempengaruhi besarnya energi yang dihasilkan oleh turbin tersebut. Oleh sebab itu, dilakukan penelitian


mengenai perencanaan model sudu yang terbaik untuk menghasilkan energi yang maksimal.

1.2 Tujuan Perencanaan Adapun tujuan dari perencanaan ini adalah untuk membuat sudu datar untuk prototipe turbin air terapung yang memanfaatkan kecepatan aliran air sungai. 1.3 Batasan Masalah Adapun batasan masalah yang dibahas dalam skripsi ini adalah perencanaan diameter dan lebar turbin, perencanaan model serta jumlah sudu turbin.


BAB I I TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Sudu-Sudu Turbin Roda turbin yang berputar pada bagian permukaannya terdapat sudu-sudu, karena sudu-sudu tersebut bergerak bersama-sama dengan roda turbin, maka sudu-sudu tersebut dinamakan sudu gerak atau sudu jalan. Pada sebuah roda turbin mungkin terdapat beberpa sudu gerak, setiap baris sudu terdiri dari sudusudu yang disusun melingkar roda turbin, masing-masing dengan bentuk dan ukuran yang sama. Turbin dengan satu baris sudu gerak dinamakan turbin bertingkat tunggal dan turbin dengan beberapa baris sudu gerak dinamakan turbin bertingkat ganda. Pada turbin bertingkat ganda, fluida bekerja mengalir melalui baris sudu yang pertama, kemudian baris kedua, ketiga dan seterusnya. Fluida kerja pada turbin bertingkat ganda sebelum mengalir dari satu sudu gerak ke sudu gerak yang lainnya akan melalui baris sudu-sudu yang bersatu dengan rumah turbin. Sudu yang bersatu dengan rumah turbin dan tidak bergerak berputar, dinamakan sudu tetap. Sudu tetap berfungsi mengarahkan aliran fluida kerja masuk ke dalam sudu gerak dan dapat juga berfungsi sebagai nosel. Didalam turbin bertingkat ganda, proses ekspansi dari fluida kerja dilakukan secara bertahap. Jadi, dari satu tingkat ke tingkat berikutnya, dimana satu tingkat terdiri Jhon Aryanto Glad Saragih : Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Datar Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai, 2009. USU Repository © 2009

dari satu baris sudu tetap dan satu baris sudu gerak. Tujuan penggunaan turbin bertingkat ganda adalah untuk menaikkan efisiensi. Celah diantara puncak sudu gerak dan rumah turbin harus dibuat sesempit mungkin agar energi fluida dapat sebanyak-banyaknya diubah menjadi kerja berguna.

2.2 Turbin Air Menurt M.M Dandekar, K.N Sharma [6] turbin air merupakan jenis mesin fluida yang fungsi utamanya adalah mengubah energi air menjadi tenaga listrik. Turbin air dapat dibagi menjadi dua kelompok yaitu turbin reaksi dan turbin impuls [11], dimana secara garis besarnya dapat dijelaskan sebagai berikut:

2.2.1 Turbin Reaksi Pada turbin reaksi, energi yang tersedia pada saluran masuk hanya sebagian saja yang dirubah menjadi energi kinetik sedangkan sisanya tetap dalam bentuk energi tekan. Ketika air mengalir melalui roda gerak / runner terjadi perubahan energi tekan menjadi energi kinetik secara berangsur-angsur. Tekanan pada sisi masuk roda gerak lebih tinggi dibandingkan tekanan pada sisi keluar roda gerak turbin, dimana tekanan tersebut bervariasi terhadap laju aliran fluida yang melalui turbin. Selanjutnya agar perubahan tekanan ini dapat terjadi, maka soda gerak/runner dalam hal ini harus tertutup dari udara luar dan seluruhnya terisi air selama turbin beroperasi.


Beberapa contoh dari Turbin Reaksi adalah :  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 pad 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 2.1 Turbin Francis Sumber : http://lingolex.com/bilc/engine.html

Gambar 2.2. Sketsa TurbinFrancis Sumber. http://en.wikipedia.org/wiki/francis_turbine


 Turbin Kaplan & Propeller Turbin Kaplan dan propeller merupakan turbin rekasi aliran aksial. Turbin ini tersusun dari propeller seperti pada perahu.. Propeller tersebut biasanya mempunyai tiga hingga enam sudu.

Gambar 2.3. Turbin Kaplan Sumber. http://en.wikipedia.org/wiki/Kaplan_turbine

2.2.2 Turbin Impuls Pada turbin impuls energi potensial air dirubah menjadi energi kinetik pada nosel. Air keluar nosel yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu turbin arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum ( impuls ). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekana sama karena aliran air Jhon Aryanto Glad Saragih : Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Datar Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai, 2009. USU Repository © 2009

yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya.

Beberapa contoh dari turbin impuls adalah :  Turbin Pelton Turbin pelton merupakan turbin impuls. 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 Sumber. http://en.wikipedia.org/wiki/pelton_wheel

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. Jhon Aryanto Glad Saragih : Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Datar Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai, 2009. USU Repository © 2009

Gambar 2.5a. Sudu Turbin Pelton Sumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf

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. Turbin Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150 meter tetapi untuk skala mikro head 20 meter sudah mencukupi.

Gambar 2.5b Nosel Sumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf Jhon Aryanto Glad Saragih : Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Datar Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai, 2009. USU Repository © 2009

 Turbin Crossflow Salah satu jenis turbin impuls ini juga dikenal dengan nama Turbin Michell-Banki yang merupakan penemunya. Selain itu juga disebut Turbin Osberger yang merupakan perusahaan yang memproduksi turbin crossflow. Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 litres/sec hingga 10 m3/sec dan head antara 1 s/d 200 m. Turbin crossflow menggunakan nozle persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Air mengalir keluar membentur sudu dan memberikan energinya (lebih rendah dibanding saat masuk) kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel.

Gambar 2.6. Turbin Crossflow Sumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf


2.3 Klasifikasi Turbin Air 2.3.1 Berdasarkan Tinggi Tekan ( head ) Berdasarkan tinggi tekan (head) [7] turbin dapat diklasifikasikan menjadi: 1. Turbin Tinggi Tekan (head) Rendah adalah turbin yang dapat bekerja pada head 2-15 m. Turbin Kaplan adalah contoh turbin yang dipergunakan untuk head rendah. 2. Turbin Tinggi Tekan (head) Menengah adalah turbin yang dapat bekerja pada head 16-70 m. Turbin Francis adalah contoh turbin yang dipergunakan untuk head menengah. 3. Turbin Tinggi Tekan (head) Tinggi adalah turbin yang dapat bekerja pada head 71-500 m. Turbin Pelton adalah contoh turbin yang dipergunakan untuk head tinggi. 4. Turbin Tinggi Tekan (head) Sangat Tinggi adalah turbin yang dapat bekerja pada head >500 m. Turbin Pelton dengan berbagai macam penyesuaian adalah contoh turbin yang dipergunakan untuk head sangat tinggi. 2.3.2 Berdasarkan Arah Aliran Tabel 2.1 [8] adalah ringkasan dari arah aliran yang umumnya terjadi pada turbin yang biasa dipergunakan. Tabel 2.1

Jenis Turbin

Arah Aliran


Francis

Radial atau Gabungan

Pelton

Tangensial

Kaplan

Aksial

Deriaz

Diagonal

2.3.3 Berdasarkan Tenaga Yang Dihasilkan Besar tenaga kuda (P) yang dihasilkan oleh sebuah turbin dapat dinyatakan sebagai berikut [9] : Ρ=

wQh ηo .....................................................................(2.1) 75

dimana:

ηo = daya guna/efisiensi menyeluruh dari turbin Q = debit (m

3

s

)

h = tinggi tekan efektif

w = satuan berat dari air, dimana dalam keadaan normal diambil 1000 kg

m3

Dengan angka daya guna turbin saat ini kir-kira diambil 90%, maka rumus di atas dapat ditulis secara kasar sebagai :

Ρ = 12Qh

.........................................................................(2.2)

Tenaga yang dikelurakan, bagaimanapun akan tergantung pada Q maupun h . Turbin Pelton menghasilkan tenaga > 330.000 dk, Turbin Kaplan > 150.000 dk dan Turbin Francis > 820.000 dk. 2.3.4 Berdasarkan Kecepatan Spesifik Tabel 2.2 [10] adalah ringkasan dari kecepatan spesifik yang umumnya terjadi pada turbin yang biasa dipergunakan. Tabel 2.2 Jhon Aryanto Glad Saragih : Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Datar Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai, 2009. USU Repository © 2009

Kecepatan Spesifik

Jenis Turbin

10 – 35

Pelton dengan 1 nosel

35 – 60

Pelton dengan 2 atau beberapa nosel

60 – 300

Francis

300 – 1000

Kaplan

2.4 Penggerak/Pemutar Berbagai Macam Turbin

Gambar 2.7 Penggerak/pemutar dari berbagai macam turbin.

Masing-masing turbin terdiri dari sebuah penggerak/runner dengan bilahbilah lengkung atau sudu-sudu yang disusun begitu rupa sehingga air dapat mengalir melalui sudu-sudu ini. Sudu-sudu ini membelokkan air menuju keluar dan dengan demikian menimbulkan tenaga putar bagi seluruh penggerak/runner.


BAB III DASAR - DASAR PERENCANAAN

3.1 Dasar Pemilihan Jenis Prototipe Adapun dasar pemilihan jenis prototipe ini termasuk dalam jenis turbin antara lain :  Menurut Fritz Dietzel (1990), putaran kincir air kecil, yaitu berkisar antara 2 – 12 rpm, jika lebih dari itu dinamakan turbin. Sedangkan prototipe ini direncanakan putarannya ± 40 rpm. Oleh sebab itu, prototipe ini termasuk dalam kategori turbin.  Aliran air yang masuk turbin tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya sehingga dapat dikelompokkan dalam turbin impuls, hanya saja pada prototipe ini tidak terdapat nosel seperti pada turbin impuls pada umumnya.

3.2 Penentuan Lokasi Adapun lokasi yang dipilih sebagai dasar dalam perencanaan dan pembuatan prototipe turbin air terapung ini adalah Sungai Namo Sira-Sira yang terletak di desa Namo Tating, Kecematan Sei Bingai Kabupaten Langkat. Berdasarkan survei yang telah dilakukan , diketahui bahwa

Sungai Namo Sira-


sira memiliki kedalaman ± 1,5 m .Disamping itu Sungai Namo Sira-sira

juga

merupakan saluran irigasi sehingga lebar sungai tidak terlalu besar ( ± 2m ). Berdasarkan pengukuran yang telah dilakukan dengan menggunakan alat ukur rotatometer diperoleh data-data kecepatan aliran air Sungai Namo Sira-Sira sebagai berikut : • Pengukuran I

: C1 = 1,71m / s

• Pengukuran II : C1 = 1,73m / s • Pengukuran III : C1 = 1,77 m / s • Pengukuran IV : C1 = 1,79m / s • Pengukuran V : C1 = 1,76m / s

4

5

3

2

1

Gambar 3.1 Pengukuran Kecepatan Aliran Sungai Namo Sira-Sira

Berdasarkan data-data diatas maka ditetapkanlah besarnya kecepatan aliran air Sungai Namo Sira-Sira adalah : C1 =

1,71 + 1,73 + 1,77 + 1,79 + 1,76 m/s 5

C1 =

8,76 m/s 5

C1 = 1,752m / s C1 ≈ 1,75m / s Jhon Aryanto Glad Saragih : Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Datar Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai, 2009. USU Repository © 2009

3.3 Kondisi dasar sungai

Lokasi intake harus memiliki dasar sungai yang relatif stabil, apalagi bila bangunan intake tersebut tanpa bendungan (intake dam). Dasar sungai yang tidak stabil inudah mengalami erosi sehingga permukaan dasar sungai lebih rendah dibandingkan dasar bangunan intake; hal ini akan menghambat aliran air memasuki intake.

Dasar sungai berupa lapisan lempeng batuan merupakan tempat yang stabil. Tempat di mana kemiringan sungainya kecil, umumnya memiliki dasar sungai yang relatif stabil. Pada kondisi yang tidak memungkinkan diperoleh lokasi intake dengan dasar sungai yang relatif stabil dan erosi pada dasar sungai memungkinkan teladi, maka konstruksi bangunan intake dilengkapi dengan bendungan untuk menjaga ketinggian dasar sungai di sekitar intake.

3.4 Bentuk aliran sungai Salah satu permasalahan yang sering terjadi

adalah kerusakan pada

bangunan intake yang disebabkan oleh banjir. Hal tersebut sering terjadi pada intake yang ditempatkan pada sisi luar sungai. Pada bagian sisi luar sungai mudah erosi serta rawan terhadap banjir. Batu-batuan, batang pohon serta berbagai material yang terbawa banjir akan mengarah pada bagian tersebut. Sementara itu bagian sisi dalam sungai merupakan tempat terjadinya pengendapan lumpur dan Jhon Aryanto Glad Saragih : Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Datar Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai, 2009. USU Repository © 2009

sedimentasi, schingga tidak cocok untuk lokasi intake. Lokasi intake yang baik terletak sepanjang bagian sungai yang relatif lurus, di mana aliran akan terdorong memasuki intake secara alami dengan membawa beban (bed load) yang kecil.

3.5 Model Sudu Turbin Berdasarkan pada percobaan yang telah dilakukan dengan miniatur model sudu lengkung, miniatur model sudu datar dengan bentuk persegi, persegi panjang maupun jajaran genjang di Sungai Namo Sira-sira maka ditentukanlah model sudu yang digunakan untuk prototipe turbin air terapung adalah berbentuk datar. Hal ini dilakukan untuk mengetahui perbandingan daya yang dihasilkan oleh sudu datar dan sudu lengkung.

3.6 Penentuan diameter sudu turbin Dalam penelitian ini, penentuan diameter sudu turbin ditentukan berdasarkan besarnya lebar sungai dimana sungai Namo Sira-sira yang terletak di desa Namo Tating, kecamatan Sei Bingai kabupaten Langkat memiliki lebar sebesar

3.7 Model Turbin Sebelum prototipe turbin air terapung dibuat, maka terlebih dahulu dilakukan perancangan model turbin. Adapun perancangan model turbin untuk prototipe turbin air terapung adalah sebagai berikut :


Gambar 3.2 Model Turbin Yang dirancang

1. Rancangan I  Turbin - Diameter Turbin

: 75 cm

disesuaikan dengan lebar

- Lebar Turbin

: 50 cm

sungai Namo Sira-sira

- Bahan Turbin

: Baja ST-37 dengan tebal 2 mm

 Sudu Turbin - Model Sudu

: Datar

- Jumlah Sudu

: 12 buah

- Panjang Sudu

: 50 cm ( sesuai dengan lebar turbin )


- Lebar Sudu

: 16 cm

- Bahan Sudu


 Berat Total

: ± 38kg

2. Rancangan II  Turbin - Diameter Turbin

: 75 cm


- Lebar Turbin

: 50 cm


- Bahan Turbin



: Datar

- Jumlah Sudu

: 14 buah

- Panjang Sudu


- Lebar Sudu

: 14 cm

- Bahan Sudu


 Berat Total

: ± 41kg

3. Rancangan III  Turbin - Diameter Turbin

: 75 cm


- Lebar Turbin

: 50 cm


- Bahan Turbin



: Datar

- Jumlah Sudu

: 10 buah

- Panjang Sudu



- Lebar Sudu

: 18 cm

- Bahan Sudu


 Berat Total

: ± 39kg

Adapun maksud dari dilakukannya perancangan ukuran utama turbin ini sampai 3 kali adalah untuk mengetahui rancangan turbin dengan spesifikasi mana yang paling ideal untuk prototipe turbin air terapung dengan memanfaatkan kecepatan aliran air sungai Namo Sira-Sira.


BAB IV ANALISA PERENCANAAN TURBIN

4.1 Rancangan I 4.1.1 Analisa Segitiga Kecepatan Turbin Air  Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk

U1

C1

1

Gambar 4.1 Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk

Dari gambar diatas diketahui bahwa :

C1 : Kecepatan Absolut Fluida Masuk U 1 : Kecepatan Tangensial / Kecepatan Keliling Sudu Turbin yang arahnya searah dengan arah putaran turbin.

W1 : Kecepatan Relatif Fluida terhadap Sudu Turbin Jhon Aryanto Glad Saragih : Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Datar Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai, 2009. USU Repository © 2009

Adapun nilai dari C1 = 1,75m / s ( diperoleh dengan menggunakan rotatometer ) dan U 1 dapat dicari dengan persamaan [2] :

U1 =

π ×D ×n 60

.....................................................................................(4.1)

Dimana : D : diameter turbin air yang direncanakan ( 0,75 m ) n : putaran turbin air yang dihasilkan ( 27 rpm )

Sehingga :

U1 =

π × 0,75m × 27rpm 60 det ik / menit

= 1,06m / s

Maka harga W1 dapat dicari dengan menggunakan persamaan [3] : W1 = C1 + U 1 − 2C1U 1Cosα ..................................................(4.2) 2

2

2

dengan α = 0 0 ( karena C1 dan U 1 segaris), sehingga persamaan diatas menjadi : W1 = C1 + U 1 − 2C1U 1Cosα 2

2

2

W1 = 1,75 2 + 1,06 2 − 2.1,75.1,06Cos 0 0 2

W1 = 3,0625 + 1,1236 − 3,71 2

W1 = 0,4761 2

W1 = 0,69m / s

Jadi besar kecepatan relatif fluida terhadap sudu turbin pada sisi masuk adalah 0,69 m/s. Jhon Aryanto Glad Saragih : Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Datar Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai, 2009. USU Repository © 2009

 Analisa Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar

U2 C2

W2

Gambar 4.2 Analisa Kecepatan Pada Sisi Keluar

Dari gambar diatas, dapat diperoleh gambar segitiga kecepatan pada sisi keluar sebaga berikut :

U2 C2 2

W

Gambar 4.3 Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar Jhon Aryanto Glad Saragih : Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Datar Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai, 2009. USU Repository © 2009


C 2 : Kecepatan Absolut Fluida Keluar U 2 : Kecepatan Tangensial / Kecepatan Keliling Sudu Turbin yang arahnya searah dengan arah putaran turbin.

W2 : Kecepatan Relatif Fluida terhadap Sudu Turbin

Maka harga W2 dapat dicari dengan menggunakan persamaan [3] : W2 = C 2 + U 2 − 2C 2U 2 Cosα .........................................(4.3) 2

2

2

dimana : C 2 = 0,69 m/s U 2 = 1,06 m/s α = 90 0 ( karena C 2 ⊥ U 2 )

Sehingga persamaan diatas menjadi : W2 = C 2 + U 2 − 2C 2U 2 Cosα 2

2

2

W2 = 0,69 2 + 1,06 2 − 2.0,69.1,06Cos90 0 2

W2 = 0,4761 + 1,1236 2

W2 = 1,5997 2

W2 = 1,26m / s

Jadi besar kecepatan relatif fluida terhadap sudu kincir pada sisi keluar adalah 1,26 m/s.


Berdasarkan gambar 4.3 besar sudut antara W2 dengan U 2 ( β 2 ) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

Cosβ 2 =

U U2 ⇒ β 2 = ArcCos 2 .......................................(4.4) W2 W2

β 2 = ArcCos

1,06m / s 1,26m / s

β 2 = ArcCos 0,84 β 2 = 32,72 0 Jadi besar sudut antara W2 dengan U 2 ( β 2 ) adalah 32,72 0

4.2 Rancangan II 4.2.1 Analisa Segitiga Kecepatan Turbin Air  Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk


U1

C1

1

Gambar 4.4 Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk

Dari gambar diatas diketahui bahwa : C1 : Kecepatan Absolut Fluida Masuk

U 1 : Kecepatan Tangensial / Kecepatan Keliling Sudu Turbin yang arahnya searah dengan arah putaran turbin.

W1 : Kecepatan Relatif Fluida terhadap Sudu Turbin Adapun nilai dari C1 = 1,75m / s ( diperoleh dengan menggunakan rotatometer ) dan U 1 dapat dicari dengan persamaan [2] :

U1 =

π ×D ×n 60

.....................................................................................(4.5)

Dimana : D : diameter turbin air yang direncanakan ( 0,75 m ) n : putaran turbin air yang dihasilkan ( 30 rpm )

Sehingga :


U1 =


= 1,17 m / s

Maka harga W1 dapat dicari dengan menggunakan persamaan [3] : W1 = C1 + U 1 − 2C1U 1Cosα ..................................................(4.6) 2

2

2


2

2

W1 = 1,75 2 + 1,17 2 − 2.1,75.1,17Cos 0 0 2

W1 = 3,0625 + 1,3689 − 4,095 2

W1 = 0,3364 2

W1 = 0,58m / s

Jadi besar kecepatan relatif fluida terhadap sudu turbin pada sisi masuk adalah 0,58 m/s.  Analisa Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar

U2 C2

W2



Dari gambar diatas, dapat diperoleh gambar segitiga kecepatan pada sisi keluar sebagai berikut :

U2 C2 2

W

Gambar 4.6 Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar


C 2 : Kecepatan Absolut Fluida Keluar U 2 : Kecepatan Tangensial / Kecepatan Keliling Sudu Turbin yang arahnya searah dengan arah putaran turbin.



2

2



2

2


W2 = 0,58 2 + 1,17 2 − 2.0,58.1,17Cos90 0 2

W2 = 0,3364 + 1,3689 2

W2 = 1,7053 2

W2 = 1,3m / s

Jadi besar kecepatan relatif fluida terhadap sudu turbin pada sisi keluar adalah 1,3 m/s.


Cosβ 2 =

U2 U ⇒ β 2 = ArcCos 2 .......................................(4.8) W2 W2

β 2 = ArcCos

1,17m / s 1,3m / s

β 2 = ArcCos 0,9 β 2 = 25,84 0 Jadi besar sudut antara W2 dengan U 2 ( β 2 ) adalah 25,84 0

4.3 Analisa Rancangan III 4.3.1 Analisa Segitiga Kecepatan Turbin Air Jhon Aryanto Glad Saragih : Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Datar Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai, 2009. USU Repository © 2009

 Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk

U1

C1

1

Gambar 4.7Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk


C1 : Kecepatan Absolut Fluida Masuk U 1 : Kecepatan Tangensial / Kecepatan Keliling Sudu Turbin yang arahnya searah dengan arah putaran turbin.

W1 : Kecepatan Relatif Fluida terhadap Sudu Turbin Adapun nilai dari C1 = 1,75m / s ( diperoleh dengan menggunakan rotatometer ) dan U 1 dapat dicari dengan persamaan [2] :

U1 =

π ×D ×n 60

.....................................................................................(4.9)

Dimana : D : diameter turbin air yang direncanakan ( 0,75 m ) n : putaran turbin air yang dihasilkan ( 23 rpm ) Jhon Aryanto Glad Saragih : Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Datar Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai, 2009. USU Repository © 2009

Sehingga :

U1 =


= 0,9m / s

Maka harga W1 dapat dicari dengan menggunakan persamaan [3] : W1 = C1 + U 1 − 2C1U 1Cosα .................................................(4.10) 2

2

2


2

2

W1 = 1,75 2 + 0,9 2 − 2.1,75.0,9Cos 0 0 2

W1 = 3,0625 + 0,81 − 3,15 2

W1 = 0,7225 2

W1 = 0,85m / s

Jadi besar kecepatan relatif fluida terhadap sudu turbin pada sisi masuk adalah 0,85 m/s.

 Analisa Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar


U2 C2

W2


Dari gambar diatas, dapat diperoleh gambar segitiga kecepatan pada sisi keluar sebagai berikut :

U2 C2 2

W

Gambar 4.9 Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar

Dari gambar diatas diketahui bahwa : C 2 : Kecepatan Absolut Fluida Keluar

U 2 : Kecepatan Tangensial / Kecepatan Keliling Sudu Turbin yang arahnya searah dengan arah putaran turbin.




2

2



2

2

W2 = 0,85 2 + 0,9 2 − 2.0,85.0,9Cos90 0 2

W2 = 0,7225 + 0,81 2

W2 = 1,5325 2

W2 = 1,23m / s

Jadi besar kecepatan relatif fluida terhadap sudu turbin pada sisi keluar adalah 1,23 m/s.


Cosβ 2 =

U2 U ⇒ β 2 = ArcCos 2 .......................................(4.12) W2 W2

β 2 = ArcCos

0,9m / s 1,23m / s


β 2 = ArcCos0,73 β 2 = 43,110 Jadi besar sudut antara W2 dengan U 2 ( β 2 ) adalah 43,110

4.4 Analisa Daya Turbin Yang dihasilkan Adapun langkah – langkah yang digunakan dalam menganalisa daya turbin yang dihasilkan oleh prototipe turbin air terapung bersudu datar adalah sebagai berikut : 1. Tentukan kecepatan linear ( kecepatan tangensial ) turbin air berdasarkan analisa segitiga kecepatan. 2. Dari langkah 1, diperoleh besar kecepatan sudut turbin dengan menggunakan persamaan ω = U

r

3. Tentukan besar gaya pada turbin air berdasarkan besarnya massa air masuk .

ke turbin air dengan persamaan F = m× v 4. Dari langkah 3, diperoleh besar momen puntir ( torsi ) pada turbin air dengan menggunakan persamaan Τ = F × r 5.Tentukan daya turbin air dengan menggunakan persamaan Ρ = Τ × ω  Analisa Daya Turbin Yang Dihasilkan Untuk Rancangan I - Kecepatan Aliran

: v = 1,75m / s

- Putaran Turbin

: n = 27 rpm

 Kecepatan Linear / Tangansial ( U ) Jhon Aryanto Glad Saragih : Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Datar Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai, 2009. USU Repository © 2009

U =

π ×D ×n 60

⇒ U = 1,06m / s

 Kecepatan Sudut ( ω ) Turbin Untuk menghitung kecepatan sudut turbin dapat digunakan persamaan [4] yaitu:

ω = U r ..................................................................................................(4.13)

ω =U r

ω = 1,06m / s 0,375m ω = 2,82 s

 Gaya ( F ) pada Turbin Besar gaya pada turbin dapat dicari dengan persamaan [1] yaitu : .

F = m× v ..................................................................................................(4.14)

dimana : .

.

m = Q × ρ ⇒ m = A× v × ρ .

m = 0,08m 2 × 1,75m / s × 998,2kg / m 3 .

m = 139,748kg / s Jhon Aryanto Glad Saragih : Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Datar Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai, 2009. USU Repository © 2009

sehingga :

F = 139,748kg / s × 1,75m / s F = 244,559 N

 Torsi pada Turbin Untuk menghitung torsi pada turbin dapat digunakan persamaan [5] : Τ = F × r ............................................................................................(4.15)

Τ = F ×r

Τ = 244,559 N × 0,375m Τ = 91,709 Nm

 Daya Turbin Besarnya daya yang dihasilkan turbin dapat dicari dengan persamaan : P = T × ω ............................................................................................(4.16)

Ρ = 91,709 Nm × 2,82 / s Ρ = 258,62 w

 Analisa Daya Turbin Yang Dihasilkan Untuk Rancangan II - Kecepatan Aliran

: v = 1,75m / s

- Putaran Turbin

: n = 30 rpm


 Kecepatan Linear / Tangansial ( U ) U =

π ×D ×n 60

⇒ U = 1,17 m / s


ω = U r ..................................................................................................(4.17)

ω =U r

ω = 1,17m / s 0,375m ω = 3,12 s


F = m× v ..................................................................................................(4.18)

dimana : .

.

m = Q × ρ ⇒ m = A× v × ρ .

m = 0,07 m 2 × 1,75m / s × 998,2kg / m 3


.

m = 122,28kg / s sehingga :

F = 122,28kg / s × 1,75m / s F = 213,99 N

 Torsi pada Turbin \ Untuk menghitung torsi pada turbin dapat digunakan persamaan [5] : Τ = F × r ............................................................................................(4.19)

Τ = F ×r

Τ = 213,99 N × 0,375m Τ = 80,24 Nm


Ρ = 80,24 Nm × 3,12 / s Ρ = 250,34 w  Analisa Daya Turbin Yang Dihasilkan Untuk Rancangan III - Kecepatan Aliran

: v = 1,75m / s

- Putaran Turbin

: n = 23 rpm


 Kecepatan Linear / Tangansial ( U ) U =

π ×D ×n 60

⇒ U = 0.9m / s


ω = U r ..................................................................................................(4.21)

ω =U r ω = 0.9m / s 0,375m ω = 2,4 s


F = m× v ..................................................................................................(4.22)

dimana : .

.

m = Q × ρ ⇒ m = A× v × ρ .

m = 0,09m 2 × 1,75m / s × 998,2kg / m 3 Jhon Aryanto Glad Saragih : Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Datar Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai, 2009. USU Repository © 2009

.

m = 157,21kg / s sehingga :

F = 157,21kg / s × 1,75m / s F = 275,1175 N  Torsi pada Turbin Untuk menghitung torsi pada turbin dapat digunakan persamaan [5] : Τ = F × r ............................................................................................(4.23)

Τ = F ×r

Τ = 275,1175 N × 0,375m Τ = 103,169 Nm


Ρ = 103,169 Nm × 2,4 / s Ρ = 247,6056 w

BAB V KESIMPULAN


Dari hasil seluruh perhitungan/analisa yang telah dilakukan, maka hasil perencanaan yang paling ideal untuk prototipe turbin air terapung dengan memanfaatkan kecepatan arus aliran sungai Namo Sira-Sira adalah : 1. Turbin - Diameter Turbin

: 75 cm

- Lebar Turbin

: 50 cm

- Bahan Turbin


- Putaran Turbin

: 27 rpm

- Daya Turbin

: 258,62 w

2. Sudu Turbin - Model Sudu

: datar

- Jumlah Sudu

: 12 buah

- Panjang Sudu


- Lebar Sudu

: 16 cm

- Bahan Sudu


3. Berat Total

: ± 38kg

DAFTAR PUSTAKA

[1]. Fritz Dietzel, Dakso Sriyono. Turbin Pompa dan Kompressor. Erlangga. Jakarta.1990,hal 10. Jhon Aryanto Glad Saragih : Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Datar Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai, 2009. USU Repository © 2009

[2]. Fritz Dietzel, Dakso Sriyono. Turbin Pompa dan Kompressor. Erlangga. Jakarta.1990,hal 22. [3]. Ir. Jero Wacik S, Ir. Suardhana Linggih. Ringkasan Fisika. Ganeca Excat. Bandung.1985,hal 22. [4]. Ir. Jero Wacik S, Ir. Suardhana Linggih. Ringkasan Fisika. Ganeca Excat. Bandung.1985,hal 57. [5]. Ir. Jero Wacik S, Ir. Suardhana Linggih. Ringkasan Fisika. Ganeca Excat. Bandung.1985,hal 104. [6]. M.M. Dandekar, K.N. Sharma. Pembangkit Listrik Tenaga Air. UI. Press Jakarta.1991,hal 391. [7]. M.M. Dandekar, K.N. Sharma. Pembangkit Listrik Tenaga Air. UI. Press Jakarta.1991,hal 394. [8]. M.M. Dandekar, K.N. Sharma. Pembangkit Listrik Tenaga Air. UI. Press Jakarta.1991,hal 396. [9]. M.M. Dandekar, K.N. Sharma. Pembangkit Listrik Tenaga Air. UI. Press Jakarta.1991,hal 396. [10]. R.S Khurmi. A Text Book Of Hydraulic Machiner. S.Chand & Company LTD. Ram Nagar,New Delhi.1984,hal 841. [11]. http:// water turbine-wikipedia,the free encyclopedia.html. [12]. http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf [13]. http://lingolex.com/bilc/engine.html [14]. http://en.wikipedia.org/wiki/francis turbin [15]. http://en.wikipedia.org/wiki/kaplan turbin [16]. http://en.wikipedia.org/wiki/pelton wheel


PERENCANAAN SERTA PEMBUATAN PROTOTIPE TURBIN AIR TERAPUNG BERSUDU DATAR DENGAN MEMANFAATKAN KECEPATAN ALIRAN AIR SUNGAI

Recommend Documents