RANCANG BANGUN MODEL TURBIN TESLA
UNTUK APLIKASI TURBIN AIR
Design And Manufacturing of Tesla Turbine Model for Water Turbine
Application
Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat menyelesaikan pendidikan Diploma III program Studi Teknik Mesin Di Jurusan Teknik Mesin
POLBAN Oleh : Ruslan
NIM: 091211025
Topan Mustopa Nurdin NIM: 091211028
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2012
T'
.''.....
LEMBAR PENGESAHAN
RANCANG BAI\IGUN MODEL TURBIN TESLA
UNTUK APITKA-Sr TrrRBrN ArR
NEv{:09l2llw5
NIM: 09T211028
,,.. , l. :Ketua: : fh'HaqaOi,_MT
Pengrlii:'
_,
2. Anggota 3. Anggota
: Rud.i
:
Y. Widiatmoko, M.Sc
: Silvester Sidabutar,
MT
Tugas Akhir ini telah disidangkan pada tanggal 17 daa disablran sesuai
degaa kete,ntuan
Pembimbing I,
Pernbiurbing II,
IilT
-BudiTriyqnoNIP1 19770a092003
12 I 000
Aris Sqr.vadi. MT
t
NIP. l 9650
1990031001
hili20l2
321
1gg0l200l
\
ABSTRAKSI
Turbin Tesla merupakan turbin yang memiliki bentuk yang unik dan sifat yang khusus. Adapun sifat yang dimiliki oleh Turbin Tesla adalah mempunyai putaran yang sangat tinggi dalam bentuk yang kecil serta fluida yang beragam dengan memanfaatkan viskositas dan laju aliran fluida dalam gesekan ruang tertentu menjadikan kelebihan Turbin Tesla, tetapi Turbin Tesla mempunyai kelemahan yaitu torsi yang rendah.
Umumnya Turbin Tesla menggunakan uap atau udara bertekanan sebagai media penggeraknya, namun pada penelitian ini dicoba untuk aplikasi fluida air. Penelitian ini melewati tahap studi literatur untuk menghitung celah teoritis, tahap perancangan untuk mengkondisikan aliran fluida pada rumah turbin, tahap pengujian untuk mendapatkan putaran dan torsi turbin, dan tahap analisis untuk menghitung daya mekanik dan efisiensi turbin yang sebenarnya. Hasil pengujian didapatkan bahwa 148,3 watt daya hidrolik, dapat menghasilkan 28,3 watt daya mekanik dengan putaran turbin 415 rpm, sehingga efisiensi mekanik turbin rata-rata sebesar 18.26%, hanya saja daya yang dihasilkan tersebut belum optimal akibat ketidakmampuan material CD untuk menahan gaya aksial yang mengakibatkan celah turbin yang terbentuk menjadi tidak beraturan. Kata kunci : CD, Turbin Tesla, Turbin Air, blade, celah, daya
i
ABSTRACT
Tesla turbine have a unique shape and special properties. The properties of the Tesla Turbine has a very high speed in a small shape and can be driven by various fluid, take advantage fluid viscosity and friction in a narrow gap, but the Tesla turbine have a draw back because of a low torque.
Tesla turbines generally use steam or compressed air as a driving media, but in this study use water as the media. This research was consist of literature study, by calculated the theoretical gap, the design to conditioning fluid flow in the turbine house, the testing to get rpm and the turbine torque, and analysis to calculate the mechanical power and efficiency of the actual turbine. The test results showed that from the 148,3 watts of the hydraulic power, generated 28,3 watts mechanical at 415 rpm turbines, Therefore the mechanical efficiency of the turbine is 18,26% an average. But the power generated was not optimal because CD material can’t hold axial forces, therefore that a gap’s of the turbine is formed into irregular.
Key Word : Compact Disc, Tesla Turbine, Water Turbine, Blade, Gap, Power
ii
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Allah SWT karenanya penulis masih diberi
kesehatan dan keselamatan dalam pembuatan laporan tugas akhir ini, tidak lupa
juga shalawat beriring salam penulis sampaikan kepada junjungan besar Nabi
Muhammad SAW yang telah membawa penulis dari zaman kebodohan ke zaman
yang penuh ilmu pengetahuan.
Adapun yang melatarbelakangi penulis dalam pembuatan laporan tugas
akhir ini adalah untuk memenuhi salah satu mata kuliah serta syarat kelulusan
dalam perkuliahan dan juga kreativitasan penulis dalam memanfaatkan ilmu yang
telah dipelajari selama di Politeknik Negeri Bandung, adapun judul tugas akhir yang penulis angkat adalah “RANCANG BANGUN MODEL TURBIN TESLA UNTUK APLIKASI TURBIN AIR” tujuan dari judul tersebut adalah penulis ingin mengetahui karakteristik Turbin Tesla jika menggunakan fluida air dan memperkenalkannya kepada masyarakat pada umumnya serta mahasiswa khususnya sehingga dapat dikembangkan lagi ke depannya. Dalam pembuatan tugas akhir ini penulis menemukan beberapa kendala seperti kurangnya sumber referensi mengenai Turbin Tesla yang menyebabkan proses perancangan membutuhkan waktu yang cukup lama. Tetapi dalam pengerjaan tugas akhir ini penulis berusaha merancang Turbin Tesla sebaik mungkin sesuai dengan acuan yang ada sehingga dapat digunakan untuk pembelajaran ataupun pengembangan lebih lanjut. Bandung, Juni 2012
Penulis
iii
UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terima kasih dan puji syukur penulis juga sampaikan kepada
beberapa orang serta pihak yang telah membantu dalam pengerjaan tugas akhir ini, adalah : 1. Allah SWT yang telah memberikan kesehatan dan keselamatan bagi
penulis selama pembuatan dan penulisan tugas akhir. 2. Kedua orang tua penulis yang telah memberikan semangat serta motivasi
dan dukungan berupa moral maupun materil yang bermanfaat bagi penulis. 3. Ir. Ali Mahmudi, M.Eng sebagai ketua Jurusan Teknik Mesin Politeknik
Negeri Bandung.
4. Rudy Y. Widiatmoko, M.Sc sebagai ketua Program Studi Teknik Mesin Politeknik Negeri Bandung dan juga sebagai penguji II yang telah memberikan masukan-masukan yang bermanfaat bagi penulis. 5. Budi Triyono, MT sebagai pembimbing I dan Aris Suryadi, M.T sebagai pembimbing II yang telah membimbing penulis juga memberi masukan dalam pengerjaan tugas akhir ini dari awal sampai tugas akhir ini selesai. 6. Dr Haryadi, M.T dan Silvester Sidabutar, M.Sc selaku ketua penguji dan penguji III yang juga telah memberikan masukan-masukan dan mengingatkan kembali penulis tentang ilmu-ilmu yang mendasar mengenai mesin. 7. Dudy Yan Purnadi, M.T sebagai panitia tugas akhir yang telah meluangkan
waktunya
untuk
memberikan
pengarahan
mengenai
pelaksanaan sidang tugas akhir dan juga masukan-masukan yang bermanfaat kepada penulis. 8. Teknisi perawatan dan produksi yang telah membantu dan meluangkan waktu dalam proses pembuatan tugas akhir. 9. Rekan-rekan seperjuangan yang telah membantu dalam berbagai hal. Semoga laporan tugas akhir ini dapat bermanfaat sebagai referensi tambahan berikutnya, adapun saran dan kritik yang membangun demi kesempurnaannya tugas akhir ini dapat diberikan tambahan komentar ditulisan ini langsung sehingga bagi yang membacanya dapat langsung mengetahui perbaikan yang ada dalam laporan tugas akhir ini. iv
DAFTAR ISI ABSTRAKSI ........................................................................................................ i ABSTRACT .......................................................................................................... ii
KATA PENGANTAR ........................................................................................ iii
UCAPAN TERIMA KASIH ............................................................................... iv DAFTAR ISI ....................................................................................................... v DAFTAR GAMBAR ........................................................................................ viii
DAFTAR TABEL ............................................................................................... x DAFTAR LAMPIRAN ....................................................................................... xi DAFTAR SIMBOL ........................................................................................... xii BAB I PENDAHULUAN ................................................................................. I-1 1.1
Latar Belakang.................................................................................... I-1
1.2
Tujuan ................................................................................................ I-2
1.3
Ruang Lingkup ................................................................................... I-2
1.5
Rumusan Masalah............................................................................... I-3
1.6
Sistematika Penulisan ......................................................................... I-3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI .......................... II-1 2.1
Tinjauan Pustaka [5]............................................................................ II-1
2.2
Hukum Mekanika Fluida [3]................................................................ II-2
2.2.1
Sifat Fluida Air ........................................................................... II-2
2.2.2
Aliran Fluida .............................................................................. II-5
2.2.3
Persamaan Aliran Fluida ............................................................. II-7
2.2.4
Tegangan Geser Fluida ............................................................... II-8
2.2.5
Head Loss ................................................................................... II-8
2.3
Turbin
[4]
........................................................................................... II-9 v
Turbin Tesla [5] ......................................................................... II-12
2.3.2
Pembangkit Listrik Tenaga Air ................................................. II-16
2.4
2.3.1
2.4.1
Sistem Transmisi[1] ................................................................... II-17
2.4.2
Poros [2] .................................................................................... II-19
BAB III METODA PENYELESAIAN ........................................................... III-1 3.1
Elemen Mesin .................................................................................. II-17
Sistematika Penyelesaian Masalah .................................................... III-1
3.1.1
Tahap Perancangan .................................................................... III-2
3.1.2
Tahap Pembuatan ...................................................................... III-3
3.1.3
Tahap Pengujian ........................................................................ III-4
3.1.4
Analisa dan Evaluasi .................................................................. III-4
3.2
Alternatif Solusi ................................................................................ III-4
3.2.1
Bahan atau Materi TA ................................................................ III-4
3.2.2
Alat yang Digunakan. ................................................................ III-5
3.2.3
Metoda Pengambilan Data ......................................................... III-6
3.2.4
Masalah yang Dihadapi dan Cara Penyelesaiannya .................... III-6
3.2.5
Sistematika Perhitungan ............................................................. III-6
BAB IV PROSES, HASIL DAN PEMBAHASAN ......................................... IV-1 4.1
Tahap Perancangan ........................................................................... IV-1
4.1.1
Identifikasi Kebutuhan ............................................................... IV-1
4.1.2
Desain Konsep ........................................................................... IV-2
4.1.3
Perhitungan ............................................................................... IV-4
4.1.4
Penentuan Komponen Standar ................................................. IV-11
4.1.5
Gambar Kerja .......................................................................... IV-12
4.2
Tahap Pembuatan ........................................................................... IV-13
4.2.1
Turbin Tesla ............................................................................ IV-13 vi
4.2.2
Rangka .................................................................................... IV-15
4.2.3
Perakitan dan Instalasi Pemipaan ............................................. IV-16
4.2.4
Piping Instalation Diagram ..................................................... IV-17
4.2.5
Sistem Kontrol dan Kelistrikan ................................................ IV-17
4.3
Tahap Pengujian ............................................................................. IV-18
4.4
Tahap Analisa dan Evaluasi ............................................................ IV-20
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN............................................................ V-1
5.1
Kesimpulan........................................................................................ V-1
5.2
Saran ................................................................................................. V-1
DAFTAR PUSTAKA
vii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Turbin Tesla yang Pertama Dibuat [6] ............................................ II-1
Gambar 2.2 Turbin Tesla Menggunakan Udara Bertekanan [7] .......................... II-2 Gambar 2.3 Tegangan Permukaan [8] ................................................................ II-5 Gambar 2.4 Gaya Kohesi dan Adhesi [8] ........................................................... II-5
Gambar 2.5 Aliran Laminar [9] ......................................................................... II-6 Gambar 2.6 Aliran Turbulen [9] ........................................................................ II-7 Gambar 2.7 Laju Aliran Massa [10] ................................................................... II-7 Gambar 2.8 Cara Kerja Turbin Impuls dan Turbin Reaksi [11] ......................... II-10
Gambar 2.9 Turbin Gas [12] ............................................................................ II-10
Gambar 2.10 Mekanisme Turbin Uap [11] ....................................................... II-11 Gambar 2.11 Mekanisme Turbin Angin [13] .................................................... II-11 Gambar 2.12 Salah Satu Jenis Turbin Air Tipe Kaplan [14] ............................. II-12 Gambar 2.13 Nikola Tesla [17] ........................................................................ II-13 Gambar 2.14 Pengaplikasian Tesla pada Turbin Uap [18] ................................ II-13 Gambar 2.15 Viskositas Fluida pada Dua Plat
[19]
........................................... II-14
Gambar 2.16 Laju Aliran Fluida yang Bekerja pada Turbin [20] ...................... II-14 Gambar 2.17 Perbandingan Efisiensi[21] ......................................................... II-15 Gambar 2.18 Sistem Instalasi PLTA[22] .......................................................... II-16 Gambar 3. 1 Diagram Alir Metode Penelitian ................................................. III-1 Gambar 3. 2 Aliran Diantara Dua Plat Sejajar ................................................. III-2 Gambar 3. 4 Diagram Tahap Pembuatan ......................................................... III-3 Gambar 3. 3 Desain Konsep Turbin Tesla ....................................................... III-3 Gambar 3. 5 Diagram Sistematika Perhitungan ............................................... III-7 Gambar 4. 1 Alternatif Desain 1 ...................................................................... IV-2 Gambar 4. 2 Alternatif Desain 2 ...................................................................... IV-3 Gambar 4. 3 Alternatif Desain 3 ...................................................................... IV-3 Gambar 4. 5 Grafik Pemilihan Toothed Belt .................................................... IV-8 Gambar 4. 6 Pemilihan Jumlah Gigi ................................................................ IV-8 Gambar 4. 7 Ukuran Jarak Bagi Tipe Xl.......................................................... IV-9 Gambar 4. 8 Model Turbin Tesla .................................................................. IV-12 Gambar 4. 9 Rumah Turbin ........................................................................... IV-13 viii
Gambar 4. 10 Dudukan Bearing .................................................................... IV-14
Gambar 4. 11 Poros ...................................................................................... IV-14
Gambar 4. 12 Blade Turbin Tesla.................................................................. IV-15 Gambar 4. 13 Spacer..................................................................................... IV-15 Gambar 4. 14 Rangka Utama ........................................................................ IV-16
Gambar 4. 15 Dudukan Alternator ................................................................ IV-16 Gambar 4. 16 Instalasi Pemipaan .................................................................. IV-17 Gambar 4. 17 Piping Instalation Diagram..................................................... IV-17 Gambar 4. 18 Rangkaian Listrik Panel .......................................................... IV-18
Gambar 4. 19 Panel Meter Turbin Tesla ........................................................ IV-18
ix
DAFTAR TABEL
Tabel 4. 1 Data Awal ...................................................................................... IV-5
Tabel 4. 3 Karakteristik Material Stainlees Steel [23] ........................................ IV-6 Tabel 4. 4 Faktor Koreksi.............................................................................. IV-11 Tabel 4. 5 Spesifikasi komponen-komponen standar ..................................... IV-11
Tabel 4. 6 Data Pengujian 1 .......................................................................... IV-19 Tabel 4. 7 Data Pengujian 2 .......................................................................... IV-20 Tabel 4. 8 Hasil Pengujian Turbin Tesla ........................................................ IV-22
x
DAFTAR LAMPIRAN
A. Daftar Riwayat Hidup Penulis.
B. Tabel Sifat Air.
C. Karakteristik Pompa Grundfos NS Basic D. Gambar Kerja.
xi
DAFTAR SIMBOL
Simbol dan notasinya :
vs L μ 𝜗 ρ p l Q 𝑣 A Fx dv dx hf f L Dh hm K v g Pm Ps 𝜂𝐻 𝜂𝑜 𝑔 𝐻 T J 𝜏 𝑟 P n ω Mb I σb σ
= kecepatan fluida, (m/s) = panjang karakteristik, (m) = viskositas absolut fluida dinamis,(kg/m.dt) = viskositas kinematik fluida: 𝜗 = μ / ρ, = kerapatan (densitas) fluida. (kg/m3)\ = panjang tabung (m) = lebar tabung (m) = debit (m3/s) = kecepatan (m s) = luas penampang (m2 ) = gaya terhadap x (N) = perubahan kecepatan fluida (m/s) = perubahan celah antar blade (m) = Head loss mayor (m) = friction loss = panjang lintasan (m) = diamater Hidrolis (m) = head loss minor (m) = konstanta = kecepatan aliran (m/s) = percepatan gravitasi (9.81 m/s2) = rugi-rugi mekanik ( W) = daya poros (W) = efisiensi hidrolik (%) = efisiensi keseluruhan (%) = percepatan gravitasi (m/s2) = head (m) = torsi (Nm) = momen inersia polar = tegangan geser = jari-jari poros (m) = daya (watt) = jumlah putaran poros permenit (rpm) = kecepatan sudut (rad/s) = Momen lentur (kgmm) = Momen Inersia penampang (mm4) = tegangan lentur (kg/mm2) = tegangan tarik suatu material xii
DAFTAR PUSTAKA
1. Sularso.1997.Dasar Perancangan dan Pemilihan Elemen Mesin.Jakarta:PT
Pradnya Paramita
2. Suryanto. 1995.Elemen Mesin 1. Bandung: Unit Penerbit Politeknik
3. Munson B.R, Okiishi & T.H, Young D.F. 2004. Mekanika Fluida, Edisi Keempat. Jakarta: Erlangga.
4.
Diestzel F. 1996.Turbin Pompa dan Kompressor. Edisi Kelima. Jakarta: Erlangga.
5. Krisna, Vencat., Vikram Reddy., & S Rajeshwer. 2011. Design Of Tesla Turbine. http://www.seminarproject.com tanggal unduh 10 Oktober 2011. 6. www.phys.washington.edu, tanggal unduh : 20 Maret 2012 7. www.instructables.com, tanggal unduh : 20 Maret 2012 8. www.ccitonline.com, tanggal unduh : 20 Maret 2012 9. ayumaulida22.files.wordpress.com, tanggal unduh : 25 Maret 2012 10. priyahitajuniarfan.files.wordpress.com, tanggal unduh : 25 Maret 2012 11. gunawananeva.files.wordpress.com, tanggal unduh : 27 Maret 2012 12. images.yourdictionary.com, tanggal unduh, : 10 April 2012 13. 4.bp.blogspot.com, tanggal unduh : 10 April 2012 14. www.denosan.com , tanggal unduh :10 April 2012 15. www.instructable.com/teslaturbine, tanggal unduh : 27 Maret 2012 16. www.wikipedia.com/teslaturbin , tanggal unduh : 27 Maret 2012 17. www.nndb.com, tanggal unduh : 1 Juli 2012 18. www.wikimedia.org, tanggal unduh :1 Juli 2012 19. hakimsimanjuntak.blogspot.com, tanggal unduh :1 Juli 2012 20. static.ddmcdn.com, tanggal unduh :27 Maret 2012 21. www.pesn.com, tanggal unduh :10 April 2012 22. konversi.wordpress.com, tanggal unduh : 10 April 2012 23. mdmetric.com/tech/ssgradeus.htm, tanggal unduh : 10 April 2012
