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

PERENCANAAN SERTA PEMBUATAN PROTOTIPE TURBIN AIR TERAPUNG BERSUDU LENGKUNG DENGAN MEMANFAATKAN KECEPATAN ALIRAN AIR SUNGAI SKRIPSI Skripsi Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

RIO OKTAKARI SURBAKTI NIM. 040401001

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2009

Rio Oktakari Surbakti : Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Lengkung Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai, 2009. USU Repository © 2009



KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Kuasa, atas segala berkat dan

anugerah-Nya

yang

senantiasa

diberikan

sehingga

penulis

dapat

menyelesaikan Tugas Skripsi ini. Tugas Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun Tugas Skripsi yang dipilih, diambil dari mata kuliah Sistem Pembangkit Tenaga, yaitu “ Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Lengkung Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai”. Dalam penulisan Tugas Skripsi 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. Orang Tua tercinta R.Surbakti dan N. Br.Tarigan dan juga kepada keluarga, kakak, adik yang telah memberikan dukungan baik moril maupun material kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini. 2. Bapak Ir.M. Syharil Gultom,MT selaku dosen pembimbing saya yang telah meluangkan waktu, memberikan saran dan arahan hingga selesainya skripsi ini. 3. Bapak Dr-Ing Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. 4. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST.MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. 5. Bapak Ir. Awaluddin Thayab, M.Sc selaku dosen wali saya. 6. Seluruh Staf Pengajar dan Pegawai di Lingkungan Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara yang tidak dapat disebutkan satupersatu.


7. Bang John Natal Sinuraya yang telah banyak membantu dalam proses pembuatan turbin air terapung. 8. Teman satu dalam pembuatan turbin air terapung ini. 9. Rekan-rekan mahasiswa Departemen Teknik Mesin khususnya sesama rekan-rekan stambuk 2004. Penulis menyadari bahwa Skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun demi penyempurnaan di masa mendatang. Akhir kata,dengan kerendahan hati penulis mengucapkan terimakasih kepada semua pihak yang turut membantu dalam penyelesaian Tugas Skripsi ini,semoga Tugas Skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua.

Medan,10 Februari 2009 Penulis,

Rio Oktakari Surbakti 04 0401 001


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 NOTASI ..........................................................................................xii BAB I PENDAHULUAN ............................................................................ ..1 1.1 Latar Belakang ............................................................................... ..1 1.2 Batasan Masalah ............................................................................ ..1 1.3 Tujuan Perencanaan ....................................................................... ..2 1.4 Pengumpulan Data ......................................................................... ..2 BAB II TINJAUAN PUSTAKA ................................................................. ..3 2.1 Pengertian Turbin Air ..................................................................... ..3 2.2 Klasifikasi Turbin Air ................................................................... ..8 2.2.1 Berdasarkan Tinggi Tekan ( head ) ..................................... ..8 2.2.2 Berdasarkan Arah Aliran .................................................... ..8 2.2.3 Berdasarkan Tenaga Yang Dihasilkan ................................ ..9 2.2.4 Berdasarkan Kecepatan Spesifik ........................................ ..9 2.2 Sudu-Sudu Turbin ......................................................................... 10 BAB III DASAR – DASAR PERENCANAAN .......................................... 12 3.1 Penentuan Lokasi ........................................................................... 12 3.2 Model Sudu Turbin ........................................................................ 13 3.3 Model Turbin ................................................................................ 14 3.3 Daya Yang Dihasilkan Turbin ....................................................... 15


BAB IV PERANCANGAN UKURAN UTAMA DAN PEMBAHASAN .. …16 4.1 Perancangan Ukuran Utama .......................................................... …16 4.2 Pembahasan .................................................................................. …18 BAB V KESIMPULAN .............................................................................. …36 DAFTAR PUSTAKA .................................................................................. ....37 LAMPIRAN


DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 2.1

Klasifikasi Turbin Berdasarkan Arah Aliran

8

Tabel 2.2

Klasifikasi Turbin Berdasarkan Kecepatan Spesifik

9


DAFTAR GAMBAR

Halaman Gambar 2.1

Turbin Francis

4

Gambar 2.2

Sketsa Turbin Francis

4

Gambar 2.3

Turbin Kaplan

5

Gambar 2.4

Turbin Pelton

6

Gambar 2.5

Sudu Turbin Pelton

6

Gambar 2.6

Turbin Crossflow

7

Gambar 2.7

Sudu-Sudu Turbin

11

Gambar 3.1

Pengukuran Kecepatan Aliran Sungai.

12

Gambar 3.2

Model Turbin

14

Gambar 4.1

Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk Rancangan I

18

Gambar 4.2

Analisa Kecepatan Pada Sisi Keluar Rancangan I

19

Gambar 4.3

Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar Rancangan I

20

Gambar 4.4

Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk Rancangan II

22

Gambar 4.5

Analisa Kecepatan Pada Sisi Keluar Rancangan II

23

Gambar 4.6

Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar Rancangan II

24

Gambar 4.7

Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk Rancangan III

26

Gambar 4.8

Analisa Kecepatan Pada Sisi Keluar Rancangan III

27

Gambar 4.9

Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar Rancangan III

28


DAFTAR NOTASI

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 puntir )

Nm

P

Daya

watt

.


BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat, karena pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik (pada air mengalir). Tenaga air (Hydropower) adalah energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran air di sungai. Turbin air merupakan salah satu jenis mesin fluida dari kelompok mesinmesin tenaga yang dapat merubah energi fluida menjadi energi mekanis. Prinsip kerja dari turbin air adalah mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis berupa putaran poros turbin, kemudian energi mekanis pada poros turbin tersebut digunakan untuk memutar generator dengan menggunakan air sebagai fluida kerja. Prinsip kerja dari turbin air ini, juga didukung oleh model dan jumlah sudu-sudu yang terdapat pada bagian runner turbin. Bentuk dan jumlah sudu berpengaruh terhadap putaran turbin dan besarnya daya yang akan dihasilkan.

1.2 Batasan Masalah Pembatasan masalah dalam skripsi ini mencakup perencanaan diameter turbin, perencanaan lebar turbin, perencanaan model sudu serta jumlah sudu turbin .


1.3 Tujuan Perencanaan Adapun tujuan dari perencanaan ini adalah untuk membuat sebuah prototipe turbin air terapung dengan memanfaatkan kecepatan aliran air sungai.

1.4 Pengumpulan Data Adapun teknik pengumpulan data yang dilakukan penulis dalam penyusunan tugas skripsi ini adalah : 1. Studi literatur dan studi kepustakaan serta kajian-kajian informasi yang diperoleh dari internet yang berhubungan dengan pembuatan prototipe turbin air terapung. 2. Melakukan diskusi dengan dosen pembimbing mengenai perencanaan dan pembuatan prototipe turbin air terapung. 3. Melakukan diskusi dengan rekan-rekan satu tim dalam pembuatan prototipe turbin air terapung. 4. Konsultasi dengan orang-orang yang memahami dan mengetahui cara pembuatan prototipe turbin air terapung.


BAB I I TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pengertian 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: a. 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 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 2.1 Turbin Francis Sumber : http://lingolex.com/bilc/engine.html

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

 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

b. 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 yang keluar dari nosel tekananya 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. Rio Oktakari Surbakti : Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Lengkung Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai, 2009. USU Repository © 2009

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.

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


 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 liter/det hingga 10 m3/s dan head antara 1 s/d 200 m. Turbin crossflow menggunakan nosel 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


2.2 Klasifikasi Turbin Air 2.2.1 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. 2.2.2 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


2.2.3 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 3 Q = debit (m ) 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. 2.2.4 Berdasarkan Kecepatan Spesifik Tabel 2.2 [10] adalah ringkasan dari kecepatan spesifik yang umumnya terjadi pada turbin yang biasa dipergunakan. Tabel 2.2

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. 3 Sudu-Sudu Turbin Pada bagian permukaan roda turbin yang berputar terdapat sudu-sudu turbin yang bergerak bersama-sama dengan roda turbin, maka sudu-sudu tersebut dinamakan sudu gerak atau sudu jalan. Pada sebuah roda turbin mungkin terdapat beberapa sudu gerak, setiap baris sudu terdiri dari sudu-sudu dengan bentuk dan ukuran yang sama yang disusun melingkar mengikuti roda turbin. 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 dari satu baris sudu tetap dansatu baris sudu gerak. Tujuan penggunan turbin bertingkat ganda adalah untuk menaikkan efisiensi.


Adapun beberapa model sudu turbin dapat dilihat pada gambar berikut:

Sudu Turbin Crossflow Sudu Turbin Kaplan/Propeller

Sudu Turbin Pelton Gambar 2.7 Sudu-Sudu Turbin

Masing-masing turbin terdiri dari sebuah penggerak ( roda turbin ) 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 ( roda turbin ).


BAB III DASAR - DASAR PERENCANAAN

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

•

Pengukuran V: C1 = 1,76m / s

4

5

3

2

: C1 = 1,79m / s

1

Gambar 3.1 Pengukuran Kecepatan Aliran Sungai Namo Sira-Sira Rio Oktakari Surbakti : Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Lengkung Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai, 2009. USU Repository © 2009

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

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 akan digunakan untuk prototipe turbin air terapung adalah berbentuk lengkung. Hal ini disebabkan oleh besarnya gaya tekan air terhadap permukaan sudu lengkung lebih tinggi dibandingkan besarnya gaya tekan air terhadap permukaan sudu datar dengan bentuk persegi, persegi panjang maupun jajaran genjang yang nantinya akan berpengaruh terhadap putaran turbin dan daya turbin yang dihasilkan.


Model Turbin Sebelum prototipe turbin air terapung dibuat, maka terlebih dahulu ditentukan model turbin yang akan digunakan. Adapun model turbin yang akan digunakan dalam pembuatan prototipe turbin air terapung adalah sebagai berikut :

Gambar 3.2 Model Turbin

Adapun alasan mengapa prototipe ini termasuk dalam kategori turbin adalah sebagai berikut :  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.


Daya Yang Dihasilkan Turbin Adapun langkah – langkah yang digunakan dalam menghitung daya yang dihasilkan turbin pada prototipe turbin air terapung bersudu lengkung 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 laju aliran massa air .

masuk ke turbin 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


BAB IV PERANCANGAN UKURAN UTAMA DAN PEMBAHASAN

4.1 PERANCANGAN UKURAN UTAMA Setelah model turbin yang akan digunakan untuk prototipe turbin air terapung ditentukan, maka dilakukanlah perancangan ukuran utama turbin. Adapun perancangan ukuran utama turbin adalah sebagai berikut : Rancangan I  Turbin - Diameter Turbin

: 75 cm

disesuaikan dengan kedalaman

- Lebar Turbin

: 50 cm

dan lebar sungai Namo Sira-sira

- Bahan Turbin

: Baja ST-37 dengan tebal 2 mm

 Sudu Turbin - Model Sudu

: Lengkung

- Jumlah Sudu (z)

: 12 buah ( ditentukan )

- Panjang Sudu

: 50 cm ( sesuai dengan lebar turbin )

- Lebar Sudu

: πD = 19,625cm ≈ 20 cm z

- Bahan Sudu


 Berat Total

(

)

: ± 40kg

Rancangan II  Turbin - Diameter Turbin

: 75 cm


- Lebar Turbin

: 50 cm


- Bahan Turbin




: Lengkung

- Jumlah Sudu (z)


- Panjang Sudu


- Lebar Sudu

: πD = 16,821cm z

- Bahan Sudu


 Berat Total

(

) ≈ 17 cm

: ± 43kg

Rancangan III  Turbin - Diameter Turbin

: 75 cm


- Lebar Turbin

: 50 cm


- Bahan Turbin



: Lengkung

- Jumlah Sudu (z)


- Panjang Sudu


- Lebar Sudu

: πD = 23,55cm z

- Bahan Sudu


 Berat Total

(

) ≈ 23 cm

: ± 38kg

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.


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

C1 U1 W1 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 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 ( 31 rpm ) Rio Oktakari Surbakti : Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Lengkung Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai, 2009. USU Repository © 2009

Sehingga :

U1 =

π × 0,75m × 31rpm 60 det ik / menit

= 1,22m / 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 = 1,752 + 1,222 − 2.1,75.1,22Cos 00 2

W1 = 3,0625 + 1,4884 − 4,27 2

W1 = 0,2809 2

W1 = 0,53m / s

Jadi besar kecepatan relatif fluida terhadap sudu turbin pada sisi masuk adalah 0,53 m/s.  Analisa Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar

C1 W2

U2 C2

Gambar 4.2 Analisa Kecepatan Pada Sisi Keluar


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

W2

C2

β2 U2 Gambar 4.3 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.

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 = 0,53 m/s U 2 = 1,22m/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 = 0,532 + 1,222 − 2.0,53.1,22Cos900 2

W2 = 0,2809 + 1,4884 2

W2 = 1,7693 2

W2 = 1,33m / s

Jadi besar kecepatan relatif fluida terhadap sudu turbin pada sisi keluar adalah 1,33 m/s. Berdasarkan gambar 4.3 besar sudut antara W2 dengan U 2 ( β 2 ) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

Cosβ 2 =

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

β 2 = ArcCos

1,22m / s 1,33m / s

β 2 = ArcCos0,917 β 2 = 23,510 Jadi besar sudut antara W2 dengan U 2 ( β 2 ) adalah 23,510


4.2.2 Analisa Rancangan II Analisa Segitiga Kecepatan Turbin Air  Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk

C1 U1 W1 Gambar 4.4 Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk




π ×D ×n 60

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


Sehingga :

U1 =


= 1,3m / s

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

2

2


2

2

W1 = 1,752 + 1,32 − 2.1,75.1,3Cos 00 2

W1 = 3,0625 + 1,69 − 4,55 2

W1 = 0,2025 2

W1 = 0,45m / s

Jadi besar kecepatan relatif fluida terhadap sudu turbin pada sisi masuk adalah 0,45m/s.  Analisa Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar

C1 W2

U2 C2




W2

C2



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


2

2

dimana : C 2 = 0,45m/s U 2 = 1,3 m/s α = 90 0 ( karena C 2 ⊥ U 2 )



2

2

W2 = 0,452 + 1,332 − 2.0,45.1,3Cos900 2

W2 = 0,2025 + 1,69 2

W2 = 1,8925 2

W2 = 1,38m / s

Jadi besar kecepatan relatif fluida terhadap sudu turbin pada sisi keluar adalah 1,38m/s. Berdasarkan gambar 4.6 besar sudut antara W2 dengan U 2 ( β 2 ) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

Cosβ 2 =

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

β 2 = ArcCos

1,3m / s 1,38m / s

β 2 = ArcCos 0,942 β 2 = 19,610 Jadi besar sudut antara W2 dengan U 2 ( β 2 ) adalah 19,610


4.2.3 Analisa Rancangan III 4.3.1 Analisa Segitiga Kecepatan Turbin Air  Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk

C1 U1 W1 Gambar 4.7Analisa Kecepatan Pada Sisi Masuk




π ×D ×n 60

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


Sehingga : U1 =


= 1,02m / s

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

2

2


2

2

W1 = 1,752 + 1,022 − 2.1,75.1,02Cos 00 2

W1 = 3,0625 + 1,0404 − 3,57 2

W1 = 0,5329 2

W1 = 0,73m / s

Jadi besar kecepatan relatif fluida terhadap sudu turbin pada sisi masuk adalah 0,73 m/s.  Analisa Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar

C1 W2

U2 C2




W2

C2


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.

W2 : Kecepatan Relatif Fluida terhadap Sudu Turbin


2

2

dimana : C 2 = 0,73 m/s U 2 = 1,02 m/s α = 90 0 ( karena C 2 ⊥ U 2 )



2

2

W2 = 0,732 + 1,022 − 2.0,73.1,02Cos900 2

W2 = 0,5329 + 1,0404 2

W2 = 1,5733 2

W2 = 1,25m / s

Jadi besar kecepatan relatif fluida terhadap sudu turbin pada sisi keluar adalah 1,25m/s. Berdasarkan gambar 4.9 besar sudut antara W2 dengan U 2 ( β 2 ) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

Cosβ 2 =

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

β 2 = ArcCos

1,02m / s 1,25m / s

β 2 = ArcCos 0,816 β 2 = 35,30 Jadi besar sudut antara W2 dengan U 2 ( β 2 ) adalah 35,30


4.2.4 Analisa Daya Yang dihasilkan Turbin Adapun langkah – langkah yang digunakan dalam menganalisa daya yang dihasilkan turbin pada prototipe turbin air terapung bersudu lengkung 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 Yang Dihasilkan Turbin Untuk Rancangan I - Kecepatan Aliran

: v = 1,75m / s

- Putaran Turbin

: n = 31 rpm

 Kecepatan Linear / Tangansial ( U ) U =

π ×D ×n 60

⇒ U = 1,22m / s

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

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

ω = 1,22m / s 0,375m ω = 3,25 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 = 0,1m 2 × 1,75m / s × 998,2kg / m 3 .

m = 174,7 kg / s sehingga :

F = 174,7 kg / s × 1,75m / s F = 305.7 N Rio Oktakari Surbakti : Perencanaan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Lengkung Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai, 2009. USU Repository © 2009

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

Τ = 305,7 N × 0,375m Τ = 114,64 Nm  Daya Turbin Besarnya daya yang dihasilkan turbin dapat dicari dengan persamaan : P = T × ω ............................................................................................(4.16)

Ρ = 114,64 Nm × 3,25 / s Ρ = 372,58watt

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

: v = 1,75m / s

- Putaran Turbin

: n = 33 rpm


π ×D ×n 60

⇒ U = 1,3m / s


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

ω = 1,3m / s 0,375m

⇒ ω = 3,5

s


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

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

.

m = Q × ρ ⇒ m = A× v × ρ .

m = 0,085m 2 × 1,75m / s × 998,2kg / m3 .

m = 148,48kg / s sehingga :

F = 148,48kg / s × 1,75m / s

F = 259,84 N  Torsi pada Turbin Untuk menghitung torsi pada turbin dapat digunakan persamaan [5] : Τ = F × r ............................................................................................(4.19)


Ρ = 97,44 Nm × 3,5 / s Ρ = 341,04watt


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

: v = 1,75m / s

- Putaran Turbin

: n = 26 rpm


π ×D ×n 60

⇒ U = 1,02m / s


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

ω = 1,02m / s 0,375m ω = 2,72 s  Gaya ( F ) pada Turbin Besar gaya pada turbin dapat dicari dengan persamaan [1] yaitu : .

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

.

m = Q × ρ ⇒ m = A× v × ρ .

m = 0,115m 2 × 1,75m / s × 998,2kg / m3 .

m = 200,89kg / s


sehingga :

F = 200,89kg / s × 1,75m / s F = 351,56 N  Torsi pada Turbin Untuk menghitung torsi pada turbin dapat digunakan persamaan [5] : Τ = F × r ............................................................................................(4.23)


Ρ = 131,835 Nm × 2,72 / s Ρ = 358,59 watt


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


2. Sudu Turbin - Model Sudu

: Lengkung

- Jumlah Sudu

: 12 buah

- Panjang Sudu

: 50 cm

- Lebar Sudu

: 20 cm

- Bahan Sudu


3. Putaran Turbin

: 31 rpm

4. Daya Turbin

: 372,58 watt


DAFTAR PUSTAKA

[1]. Fritz Dietzel, Dakso Sriyono. Turbin Pompa dan Kompressor. Erlangga. Jakarta.1990,hal 10. [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


LAMPIRAN


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

Recommend Documents