ABSTRAKSI
PERENCANAAN MIKROHIDRO DENGAN TURBIN KAPLAN SEBAGAI PENGGERAK MULA PADA DEBIT (Q) 0,52 m3/s DAN KETINGGIAN (H) 2,65 m
Oleh : ARIF IMAM NUGROHO NIM : D 200 010 132
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2007
HALAMAN PENGESAHAN
Tugas Akhir berjudul “Perencanaan Mikrohidro dengan Turbin Kaplan Sebagai Penggerak Mula dengan Debit (Q) 0,52 m3/s dan Ketinggian (H) 2,65 m” telah dipertahankan di depan Dewan Penguji sebagai syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana
Teknik
di
Jurusan
Mesin
Fakultas
Teknik
Universtas
Muhammadiyah Surakarta.
Dipersiapkan oleh : Nama
: ARIF IMAM NUGROHO
NIM
: D 200 010 132
Disetujui pada : Hari / tanggal
:
Mengesahkan, Pembimbing Utama
Pembimbing Pendamping
( Ir. Tri Tjahjono, MT )
( Ir. H. Sarjito, MT )
Mengetahui, Kepala Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta
( Marwan Effendy, ST, MT. )
PERENCANAAN MIKROHIDRO DENGAN TURBIN KAPLAN SEBAGAI PENGGERAK MULA PADA DEBIT (Q) 0,52 m3/s DAN KETINGGIAN (H) 2,65 m ABSTRAKSI Turbin Kaplan adalah mesin konversi energi dengan air sebagai fluida kerjanya. Dalam merencanakan sebuah mikrohidro perlu diperhatikan besar kecilnya debit aliran serta ketinggian air jatuh. Dengan mengetahui debit aliran serta ketinggian air jatuh dapat ditentukan jenis turbin yang sesuai dengan sumber daya alam yang tersedia. Sering kali kita mengabaikan keberadaan sumber daya alam di sekitar kita, sehingga banyak aliran-aliran sungai yang belum dimanfaatkan sumber dayanya dan hanya terbuang sia-sia. Dengan debit aliran rendah kita dapat memanfaatkannya sebagai penggerak sebuah turbin yang kemudian energi mekanik yang dihasilkan turbin dapat berguna sebagai penggerak mesin-mesin seperti generator listrik, mesin penumbuk padi dan lainlain. Dalam Tugas Akhir ini di bahas mengenai perencanaan mikrohidro dengan turbin Kaplan sebagai penggerak mulanya. Perencanaan di mulai dengan melakukan survey lokasi guna mendapatkan data-data pada perencanaan turbin Kaplan. Pada perencanaan ini direncanakan turbin dengan posisi poros vertical. Dengan data-data yang diperooleh dapat dilakukan perhitungan dimensi turbin dan diperoleh spsifikasi turbin yang lain dengan menggunakan formula perhitungan yang tersedia pada beberapa referensi yang digunakan. Dari hasil analisis perhitungan, diperoleh data-data: dimensi balingbaling turbin DL 0,379 m dengan bahan kuningan, diameter poros 50 mm dengan bahan SNCM 1, bantalan berbahan perunggu dan dengan efisiensi 85% dapat menghasilkan daya turbin sebesar PT 15.086,226 kW. Kata kunci : turbin kaplan, kecepatan spesifik, daya turbin
DAFTAR PUSTAKA
Arismunandar, Wiranto., 1997, Penggerak Mula Turbin, ITB Bandung. Dandekar, M. M., Sharma K.N., 1991, Pembangkit Listrik Tenaga Air, UI Press, Jakarta. Dietzel, Fritz, 1996, Turbin, Pompa dan Kompresor, Erlangga, Jakarta. Kadir, A., 1979, Mesin Arus Searah, Percetakan Aka. Patty, O.F., 1995, Tenaga Air, Erlangga, Jakarta. Sularso dan Suga, Kiyokatsu, 1995, Dasar-dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin, Pradnya Paramita, Jakarta. Triatmodjo, Bambang, 1996, Hidrolika I, Beta Offset, Yogyakarta. Triatmodjo, Bambang, 1996, Hidrolika II, Beta Offset, Yogyakarta. Vasandani, V.P., 1984, Hidraulika Machines Theory and Design, Khanna Publishers, Delhi. White, Frank M; Liek Wilarjo, 1986, Mekanika Zalir, Erlangga, Jakarta.
TUGAS AKHIR
PERENCANAAN MIKROHIDRO DENGAN TURBIN KAPLAN SEBAGAI PENGGERAK MULA PADA DEBIT (Q) 0,52 m3/s & KETINGGIAN (H) 2,65 m
Diajukan Guna Memenuhi Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta
OLEH : ARIF IMAM NUGROHO D 200 010 132
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2007 i
HALAMAN PERSETUJUAN
Tugas Akhir berjudul “Perencanaan Mikrohidro dengan Turbin Kaplan Sebagai Penggerak Mula dengan Debit (Q) 0,52 m3/s dan Ketinggian (H) 2,65 m” telah disetujui oleh pembimbing untuk dipertahankan di depan Dewan Penguji sebagai syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Dipersiapkan oleh : Nama
: ARIF IMAM NUGROHO
NIM
: D 200 010 132
Disetujui pada : Hari
:
Tanggal :
Menyetujui,
Pembimbing Utama
Pembimbing Pendamping
(Ir. Tri Tjahjono, MT. )
(Ir. H. Sarjito, MT.)
ii
HALAMAN PENGESAHAN
Tugas Akhir berjudul “Perencanaan Mikrohidro dengan Turbin Kaplan Sebagai Penggerak Mula dengan Debit (Q) 0,52 m3/s dan Ketinggian (H) 2,65 m” telah dipertahankan di depan Dewan Penguji sebagai syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana
Teknik
di
Jurusan
Mesin
Fakultas
Teknik
Universtas
Muhammadiyah Surakarta. Dipersiapkan oleh : Nama
: ARIF IMAM NUGROHO
NIM
: D 200 010 132
Disetujui pada : Hari / tanggal
:
Dewan Penguji : 1. Ir. Tri Tjahjono, MT (Ketua Penguji)
……………………..
2. Ir. H. Sarjito, MT (Sekretaris Penguji)
……………………..
3. Ir. Subroto, MT (Anggota Penguji)
………………………
Mengesahkan, a.n Dekan Fakultas Teknik Wakil Dekan I
Ketua Jurusan Teknik Mesin
(Ir. Subroto, MT.)
(Marwan Effendy, ST, MT.)
iii
iv
MOTTO
… Allah akan meninggikan orang-orang yang beriman di antaramu dan orangorang yang diberi ilmu pengetahuan beberapa derajat … (QS. Al-Mujaadilah : 11) “Cukuplah Allah bagiku; tidak ada Tuhan selain Dia. Hanya kepada-Nya aku bertawakal, dan Dia adalah Tuhan yang memiliki arasy yang agung” (QS.At-Taubah : 129) “Barang siapa berjalan untuk mencari ilmu pasti Allah akan memudahkan jalan ke surga”. (H.R. Muslim)
PERSEMBAHAN Kupersembahkan karya sederhana ini teruntuk : á Mama-Papa tercinta, semoga keringat & darah MamaPapa tidak menetes sia-sia; á Mas Sigit, semoga kita selalu dalam hidayah-Nya untuk berbakti pada ortu; á Endah SR, terima kasih atas motivasi, do’a & pengorbanannya á Sahabat-sahabatku di Teknik Mesin UMS; dan á Almamaterku
v
KATA PENGANTAR Alhamdulillahirobbil‘alamin, puji syukur yang tak terhingga kehadirat اﷲ Ta’ala yang telah melimpahkan rahmat, karunia, dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul “Perencanaan Mikrohidro dengan Turbin Kaplan Sebagai Penggerak Mula dengan Debit (Q) 0,52 m3/s dan Ketinggian (H) 2,65 m2. Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi persyaratan dalam mendapatkan gelar kesarjanaan pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. Penulis menyadari bahwa dalam proses penyusunan tugas akhir ini banyak mendapatkan bantuan dari berbagai pihak baik yang bersifat lahir maupun bathin, untuk itu pada halaman ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada : 1.
Bapak Ir. Tri Tjahjono, MT, selaku dosen Pembimbing I yang telah dengan rela dan sabar memberikan bimbingan, arahan dan sarannya dari awal hingga terselesaikannya tugas akhir ini.
2.
Bapak Ir. H. Sarjito, MT, selaku Pembimbing II yang telah memberikan motivasi dan bimbingan hingga terselesaikannya tugas akhir ini.
3.
Bapak Ir. Subroto, MT, selaku Dewan Penguji pada ujian pendadaran, terima kasih atas petunjuk, masukan serta kritik dan sarannya dalam penulisan dan penyusunan laporan Tugas Akhir ini.
4.
Bapak Joko Sedyono, ST. MT, selaku Pembimbing Akademik yang telah memberikan bimbingan dan arahan selama penulis duduk dibangku kuliah di Universitas Muhammadiyah Surakarta. vi
5.
Bapak Ibu dosen Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta khususnya Jurusan Teknik Mesin, yang telah memberikan bekal ilmu pengetahuan kepada penulis.
6.
Mama, Papa, Mas Sigit, Pak Dhe, Bu Dhe, Om, Bulek dan adik-adikku semua, terima kasih atas motivasinya dan pengorbanan yang telah kalian berikan selama Imam menempuh pendidikan di Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
7.
Bapak Ibu Suhardi, dek Endah, dek Susi, terima kasih atas kasih sayang, perhatian, motivasi semangat, dan atas kepercayaan yang kalian berikan dalam penantian panjang ini.
8.
Anton Sujarwo, terima kasih untuk tetap menjadi partner selama kuliah hingga pengerjaan Tugas Akhir, semoga silaturahim kita tetap terjaga.
9.
Ustadz Djaka Pramono, terima kasih atas do’a dan bantuannya.
10. Mas Agus Santoso (TU), Mas Dayat, Mas Ashar, Pak Sarno, Pak Yanto, all crew in Muhammadiyah University of Surakarta thank’s for all.
vii
ABSTRAKSI
Turbin Kaplan adalah mesin konversi energi dengan air sebagai fluida kerjanya. Dalam merencanakan sebuah mikrohidro perlu diperhatikan besar kecilnya debit aliran serta ketinggian air jatuh. Dengan mengetahui debit aliran serta ketinggian air jatuh dapat ditentukan jenis turbin yang sesuai dengan sumber daya alam yang tersedia. Sering kali kita mengabaikan keberadaan sumber daya alam di sekitar kita, sehingga banyak aliran-aliran sungai yang belum dimanfaatkan sumber dayanya dan hanya terbuang sia-sia. Dengan debit aliran rendah kita dapat memanfaatkannya sebagai penggerak sebuah turbin yang kemudian energi mekanik yang dihasilkan turbin dapat berguna sebagai penggerak mesin-mesin seperti generator listrik, mesin penumbuk padi dan lainlain. Dalam Tugas Akhir ini di bahas mengenai perencanaan mikrohidro dengan turbin Kaplan sebagai penggerak mulanya. Perencanaan di mulai dengan melakukan survey lokasi guna mendapatkan data-data pada perencanaan turbin Kaplan. Pada perencanaan ini direncanakan turbin dengan posisi poros vertical. Dengan data-data yang diperooleh dapat dilakukan perhitungan dimensi turbin dan diperoleh spsifikasi turbin yang lain dengan menggunakan formula perhitungan yang tersedia pada beberapa referensi yang digunakan. Dari hasil perhitungan, dapat disimpulkan bahwa diperoleh dimensi turbin DL 0,379 m dengan efisiensi 85% dapat menghasilkan daya turbin sebesar P 15.086,226 kW. Kata kunci : turbin kaplan, kecepatan spesifik, daya turbin
viii
DAFTAR ISI
halaman HALAMAN JUDUL ....................................................................................
i
HALAMAN PERSETUJUAN .....................................................................
ii
HALAMAN PENGESAHAN ......................................................................
iii
HALAMAN SOAL ......................................................................................
iv
HALAMAN MOTTO DAN PERSEMBAHAN ..........................................
v
KATA PENGANTAR .................................................................................
vi
ABSTRAKSI ...............................................................................................
viii
DAFTAR ISI ................................................................................................
ix
DAFTAR NOTASI ......................................................................................
xiii
DAFTAR GAMBAR ...................................................................................
xiv
DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................
xv
BAB I
PENDAHULUAN .....................................................................
1
1.1. LATAR BELAKANG MASALAH .................................
1
1.2. PERUMUSAN MASALAH ............................................
2
1.3. TUJUAN PENULISAN ...................................................
3
1.4. METODE PERENCANAAN ...........................................
3
1.5. SISTEMATIKA PENULISAN .......................................
4
TEORI DASAR ........................................................................
6
2.1. TURBIN ...........................................................................
6
2.1.1. Turbin Air ............................................................
6
BAB II
ix
2.1.2. Macam-macam Turbin Air ..................................
7
2.1.2.1. Turbin Pelton .........................................
7
2.1.2.2. Turbin Francis ........................................
8
2.1.2.3. Turbin Kaplan ........................................
8
2.2. GERAK MELINGKAR BERATURAN .........................
9
2.3. ALIRAN FLUIDA ...........................................................
10
2.3.1. Bilangan Reynolds ...............................................
10
2.3.2. Persamaan Kontinuitas .........................................
11
2.3.3. Persamaan Energi .................................................
12
2.3.4. Persamaan Momentum .........................................
13
2.4. ENERGI POTENSIAL ....................................................
14
2.5. DAYA ..............................................................................
15
2.6. TORSI ..............................................................................
15
BAB III ANALISIS PERHITUNGAN ...................................................
17
3.1. KECEPATAN PUTAR TURBIN (n) ..............................
17
3.2. KECEPATAN KELILING TURBIN (u) .........................
18
3.2.1. Kecepatan Keliling Bagian Luar Sudu (uL) .........
18
3.2.2. Kecepatan Keliling Bagian Leher Poros Sudu (uN)
18
3.2.3. Kecepatan Keliling Bagian Tengah Sudu (uM) ....
19
3.3. DIAMETER TURBIN .....................................................
19
3.3.1. Diameter Luar Sudu Turbin (DL) .........................
19
3.3.2. Diameter Leher Porod Sudu Turbin (DN) ............
20
3.3.3. Diameter Tengah Sudu Turbin (DM) ....................
20
x
3.4. SEGITIGA KECEPATAN ..............................................
20
3.4.1. Kecepatan Keliling (u) .........................................
20
3.4.2. Kecepatan Aliran (Vair) ........................................
21
3.4.3. Kecepatan Mutlak (C) ..........................................
21
3.4.4. Sudut Kecepatan Keluar (β2) ................................
22
3.4.5. Sudut Kecepatan Masuk (β1) ................................
23
3.4.6. Profil Sudu ...........................................................
24
3.5. DAYA TURBIN (PT) .......................................................
29
3.6. GAYA AKSIAL (W) .......................................................
30
3.7. EFISIENSI (ηT) ................................................................
30
3.8. POROS .............................................................................
31
3.8.1. Daya yang direncanakan (Pd) ..............................
31
3.8.2. Momen Puntir Poros (T) ......................................
32
3.8.3. Tegangan Geser yang Diijinkan (τa) ....................
32
3.8.4. Diameter Poros (ds) ..............................................
32
3.8.5. Tegangan Geser Yang Terjadi (τ) ........................
33
3.9. BANTALAN ....................................................................
33
3.9.1. Faktor Umur (fh) ...................................................
34
3.9.2. Beban Ekivalen (Pr) .............................................
34
3.9.3. Tinggi Kerah (b) ...................................................
35
3.9.4. Tebal dan Jarak Kerah (t & t1) .............................
35
3.9.5. Diameter Luar Kerah (do) ....................................
35
3.9.6. Tekanan rata-rata bantalan (p) .............................
36
xi
3.10. DAYA LISTRIK GENERATOR .....................................
36
3.11. RUMAH TURBIN ...........................................................
37
BAB IV KESIMPULAN .........................................................................
38
BAB V
40
PENUTUP .................................................................................
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
xii
DAFTAR NOTASI
Notasi
Satuan
Keterangan
Notasi
Satuan
Keterangan
A
mm; m
Luas penampang
Sf1
-
Faktor keamanan poros
B
mm; m
Lebar tinggi sudu
Sf2
-
Faktor pengaruh pasak
C
m/s
Kecepatan mutlak
t
mm; m
Pembagian sudu
cm*
-
Faktor kec. meridian
u
m/s
Kecepatan keliling
co
-
Faktor pengkali kec.
uL*
-
Faktor kec. keliling
D
mm; m
Diameter
V
m/s
Kecepatan aliran
ds
mm; m
Diameter poros
W
N
Gaya aksial
F
N
Gaya
w
m/s
Kec. relatif keluar sudu
fc
-
Faktor koreksi
Ft
N
Gaya tangensial
g
9,81 m/s2 Percepatan gravitasi
H
mm; m
Mt
Ymax mm; m
Tebal profil sudu
z
-
Jumlah sudu
β1
o
Sudut kecepatan masuk
Tinggi jatuh
β2
o
Sudut kecepatan keluar
Nm
Momen putar
δ
o
Sudut pemasangan
n
rpm
Kecepatan putar
ζa
-
Tahanan profil
nq
rpm
Kecepatan spesifik
ηT
%
Efisiensi turbin
P
kg/mm2
Tekakan rata bantalan
ρair
1000 kg/m3 Kerapatan air
PG
kW
Daya generator
σB
kg/mm2
Kekuatan tarik
PT
kW
Daya turbin
τ
kg/mm2
Tegangan geser terjadi
Q
m3/s
Debit aliran
τa
kg/mm2
Tegangan geser ijin
r
mm; m
Jari-jari
ω
rad/s
Kecepatan sudut
s
mm; m
Panjang profil sudu
xiii
DAFTAR GAMBAR
halaman Gambar 2.1. Gambar Kontruksi Turbin Pelton ..........................................
7
Gambar 2.2. Gambar Kontruksi Turbin Francis ..........................................
8
Gambar 2.3. Gambar Kontruksi Turbin Kaplan ..........................................
9
Gambar 2.4. Skema Gerak Melingkar ..........................................................
9
Gambar 2.5. Skema Benda Jatuh Bebas .......................................................
14
Gambar 2.6. Skema Gaya ............................................................................
15
Gambar 3.1. Gambar Sket Baling-Baling ....................................................
19
Gambar 3.2. Gambar Sket Profil Sudu ........................................................
24
Gambar 3.3. Gambar Segitiga Kecepatan Bagian Luar ...............................
25
Gambar 3.4. Gambar Segitiga Kecepatan Bagian Tengah ..........................
26
Gambar 3.5. Gambar Segitiga Kecepatan Bagian Leher Poros ...................
27
Gambar 3.6. Gambar Bantalan Aksial Kerah ..............................................
33
Gambar 3.7. Gambar Turbin, Generator Dan Rumah Turbin ......................
37
xiv
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. a. Gambar Air Terjun b. Gambar Aliran Sungai Lampiran 2. Tabel 1. Baja Paduan Bahan Poros Tabel 2. Bahan & tekanan diizinkan bantalan aksial Lampiran 3 Gambar 1. Grafik kecepatan spesifik dan faktor kecepatan Gambar 2. Daerah pemilihan jenis turbin berdasar tinggi air jatuh Lampiran 4 Gambar 3. Grafik sudut pemasangan & tahanan profil Kartu Konsultasi Tugas Akhir Kartu Revisi Pendadaran
xv
