i

TURBIN ALIRAN SILANG MENGGUNAKAN SUDU DARI

BILAH PIPA DENGAN RADIUS SUDU 0,625 INCHI DAN

JUMLAH SUDU 18

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin

Disusun oleh :

PATRICK ANGGORO KURNIYANTO

NIM : 045214062

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA 2009

ii

THE CROSSFLOW TURBINE USING BLADE FROM

CUTTING PIPE LENGHTWISE WITH RADIUS OF BLADE

0,625 INCH AND 18 NUMBER OF BLADE

FINAL PROJECT

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements To Obtain then Sarjana Teknik Degree

in Mechanical Engineering

By :

PATRICK ANGGORO KURNIYANTO

Student Number : 045214062

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA 2009

iii

iv

v

vi

vii

KATA PENGANTAR

Puji Syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan karunia-Nya,

sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.

Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk mencapai derajat

Sarjana S-1 pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi,

Universitas Sanata Dharma. Isi Tugas Akhir ini adalah mengenai unjuk kerja

sebuah turbin aliran silang yang menggunakan sudu dari bilah pipa, dengan

jumlah sudu 18 buah.

Dalam kesempatan ini penulis menyadari bahwa dalam proses belajar di

Program Studi Teknik Mesin, sejak awal studi sampai berakhirnya studi

melibatkan banyak hal. Atas segala saran, bimbingan, dukungan dan bantuan,

pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada :

1. Budi Sugiharto, S.T., M.T. Ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas

Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

2. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. Dosen Pembimbing Tugas Akhir.

3. Seluruh dosen dan staff Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan

Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah

memberikan berbagai pengetahuan kepada penulis dan membantu

selama proses belajar di Jurusan Teknik Mesin.

4. Ayah, Ibu, dan pacar saya yang selalu memberikan dukungan moril

maupun materiil.

viii

5. Teman-teman seperjuangan di Teknik Mesin yang selalu mendorong

dan memberi dukungandalam penyelesaian tugas akhir ini.

Penulis menyadari sepenuhnya bahwa penulisan Tugas Akhir ini masih

jauh dari sempurna. Meskipun demikian penulis berharap bahwa penulisan Tugas

Akhir ini dapat memberikan kontribusi dalam pengembangan ilmu khususnya

mengenai perancangan turbin aliran silang. Atas kritik dan saran yang bersifat

membangun guna sempurnanya karya tulis ini penulis mengucapkan terima kasih.

Yogyakarta, 25 Februari 2009

Penulis

ix

INTISARI

Turbin aliran silang banyak digunakan untuk pembangkit listrik skala mikro. Pembuatan sudu turbin dari plat yang dilengkung sulit dilakukan oleh masyarakat. Geometri sudu turbin aliran silang sebenarnya sama dengan geometri pipa yang dibelah dengan busur tertentu. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari unjuk kerja turbin aliran silang dengan sudu dari bilah pipa yang digunakan untuk pembangkit listrik.

Peralatan yang digunakan adalah sebuah turbin aliran silang. Sudu turbin dibuat dari pipa dengan diameter 1¼ inch. Diameter runner adalah 97,39 mm dengan panjang runner 103 mm. Jumlah sudu pada runner 18 buah. Penelitian dilakukan dengan memvariasikan debit, tinggi nozzle,dan beban. Debit air yang divariasikan adalah 10,6L/s, 9,3L/s, dan 8,3L/s. Tinggi nozzle yang divariasikan adalah 14mm, 9mm, dan 4mm. Untuk menghasilkan listrik turbin dihubungkan dengan generator. Pengukuran daya yang dihasilkan turbin dilakukan dengan mengukur tegangan dan arus yang dihasilkan generator pada kondisi generator diberi variasi pembebanan 10W, 15W, 25W, 40W, 60W, dan 100W. Pada setiap pembeban, putaran turbin diukur dengan tachometer.

Analisis dilakukan dengan membuat grafik hubungan daya dengan putaran turbin dan grafik hubungan efisiensi dengan putaran turbin untuk tiap variasi debit, dan tinggi nozzle, dan beban. Daya maksimum yang diperoleh mencapai 47,6 Watt, dengan efisiensi total mencapai 13,01%. Kondisi tersebut terjadi pada saat variasi debit = 10,6 L/s ; tinggi nozzle 14 mm ; dan beban 100 Watt.

x

DAFTAR ISI Halaman

HALAMAN JUDUL ................................................................................... i HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ........................................ iii HALAMAN PENGESAHAN ..................................................................... iv HALAMAN PERNYATAAN .................................................................... v HALAMAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ............................................. vi KATA PENGANTAR ................................................................................. vii INTISARI ................................................................................................... ix DAFTAR ISI ............................................................................................... x DAFTAR TABEL ...................................................................................... xii DAFTAR GAMBAR .................................................................................. xiii DAFTAR LAMBANG ............................................................................... xiv BAB I PENDAHULUAN ...................................................................... 1

1.1 Latar Belakang Masalah ........................................................ 1 1.2 Rumusan Masalah ................................................................. 3 1.3 Tujuan dan Manfaat .............................................................. 3

1.3.1 Tujuan ....................................................................... 3 1.3.2 Manfaat ..................................................................... 4

BAB II DASAR TEORI .......................................................................... 5 2.1. Tinjauan Pustaka ................................................................... 5 2.2. Landasan Teori ..................................................................... 6

2.2.1. Definisi Turbin Air ................................................... 6 2.2.2. Perkembangan Turbin Air .......................................... 7 2.2.3. Jenis-jenis Turbin Air ................................................ 8

2.3. Turbin Crossflow .................................................................. 9 BAB III PERANCANGAN ...................................................................... 17

3.1. Diagram Alir ......................................................................... 17 3.2. Bahan Penelitian ................................................................... 18 3.3. Peralatan Penelitian ............................................................... 18 3.4. Jalannya Penelitian ................................................................ 19

3.4.1. Persiapan ................................................................... 19 3.4.2. Pembuatan Alat ......................................................... 19

3.4.2.1. Desain Alat .................................................. 19 3.4.2.2. Perancangan Runner ..................................... 21 3.4.2.3. Pembuatan Runner ....................................... 26 3.4.2.4. Pemasangan Runner ke Alat Uji Turbin ........ 27

3.4.3. Uji Prestasi ................................................................ 27 3.4.4. Analisa Data .............................................................. 29

3.5. Kesulitan Penelitian .............................................................. 29

xi

BAB IV PEMBAHASAN ........................................................................ 30 4.1. Hasil Penelitian ..................................................................... 30

4.1.1. Data Variasi debit 10,6 L/s.......................................... 30 4.1.2. Data Variasi debit 9,3 L/s .......................................... 31 4.1.3. Data Variasi debit 8,3 L/s A ...................................... 32

4.2. Grafik Hasil Penelitian .......................................................... 33 4.2.1. Grafik dengan debit 10,6 L/s ...................................... 33 4.2.2. Grafik dengan debit 9,3 L/s ......................................... 35 4.2.3. Grafik dengan debit 8,3 L/s.. ...................................... 37

4.3. Analisa .................................................................................. 38 BAB V KESIMPULAN .......................................................................... 42

5.1. Kesimpulan ........................................................................... 42 5.2. Saran ..................................................................................... 42

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

xii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Klasifikasi Turbin Terhadap Head .......................................... 8

Tabel 4.1 Data dengan Tinggi Nozzle 9 mm, Debit 10,6 L/s .................. 30

Tabel 4.2 Data dengan Tinggi Nozzle 14 mm, Debit 10,6 L/s ................ 30

Tabel 4.3 Data dengan Debit 9,3 L/s, Tinggi Nozzle 9 mm .................... 31

Tabel 4.4 Data dengan Debit 9,3 L/s, Tinggi Nozzle 14 mm .................. 31

Tabel 4.5 Data dengan Debit 8,3 L/s, Tinggi Nozzle 9 mm .................... 32

Tabel 4.6 Data dengan Debit 8,3 L/s, Tinggi Nozzle 14 mm .................. 32

xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Runner Turbin Crossflow ...................................................... 3

Gambar 2.1 Turbin Crossflow .................................................................. 9

Gambar 2.2 Aliran Air Pada Turbin Crossflow .......................................... 10

Gambar 2.3 Kelengkungan Sudu ............................................................... 14

Gambar 2.4 Sketsa Pipa yang Dibelah ...................................................... 14

Gambar 2.5 Jarak Antar Sudu .................................................................... 15

Gambar 2.6 Penampang Nozzle ................................................................ 15

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian ......................................................... 17

Gambar 3.2 Alat Uji Turbin ...................................................................... 21

Gambar 4.1 Grafik Daya yang Dihasilkan VS Putaran Generator untuk

Tinggi Nozzle 9mm, dan 14 mm dengan debit 10,6 L/s .......... 33

Gambar 4.2 Grafik Efisiensi VS Putaran Generator untuk Tinggi Nozzle

9mm, dan 14 mm dengan debit 10,6 L/s ................................. 34

Gambar 4.3 Grafik Daya yang Dihasilkan VS Putaran Generator untuk

Tinggi Nozzle 9mm, dan 14 mm dengan debit 9,3 L/s ............ 35

Gambar 4.4 Grafik Efisiensi VS Putaran Generator untuk Tinggi Nozzle 4

mm, 9mm, dan 14 mm dengan debit 9,3 L/s .......................... 36

Gambar 4.5 Grafik Daya yang Dihasilkan VS Putaran Generator untuk

Tinggi Nozzle 9mm, dan 14 mm dengan debit 8,3 L/s ............ 37

Gambar 4.6 Grafik Efisiensi VS Putaran Generator untuk Tinggi Nozzle 4

mm, 9mm, dan 14 mm dengan debit 8,3 L/s ........................... 38

xiv

DAFTAR LAMBANG

H = Head (m)

Q = Debit (m3/detik)

η = Efisiensi turbin (%)

D1 = Diameter turbin (m)

L = Panjang Turbin (m)

ρ = Jari-jari kelengkungan sudu turbin (m)

a = Lebar velk radial (m)

s1 = Jarak antar sudu pancaran air masuk (m)

t = Jarak antar sudu (m)

β1 = Sudut masuk (o)

s2 = Jarak antar sudu pancaran air keluar (m)

n = Jumlah sudu (buah)

y1 = Jarak pancaran dari poros (m)

y2 = Jarak pancaran dari keliling dalam (m)

A = Penampang nosel (m)

so = Tinggi pancaran air nosel (m)

N = Kecepatan Putar (rpm)

∆ = Sudut pusat sudu jalan (o)

Pin = Daya yang tersedia (W)

Pout = Daya yang dihasilkan generator (W)

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Listrik merupakan sumber energi yang digunakan oleh manusia. Listrik

dihasilkan dari suatu sistem pembangkit listrik. Pembangkit yang banyak

digunakan adalah pembangkit listrik tenaga air (PLTA), pembangkit listrik tenaga

panas bumi (PLTG), Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU), pembangkit listrik

tenaga diesel (PLTD), dan pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN). PLTU dan

PLTD menggunakan sumber energi berupa batubara ataupun minyak bumi.

Permasalahan yang dihadapi saat ini adalah tentang ketersediaan sumber

energi yang tidak dapat diperbaharui dewasa ini. Hal itu menimbulkan adanya

krisis energi sehingga berdampak pada melonjaknya harga minyak bumi.

Air merupakan salah satu sumber daya alam yang tidak terbatas jumlahnya.

Air juga memiliki potensi yang sangat besar dan dapat digunakan sebagai sumber

energi yang dapat menggantikan penggunaan energi fosil. Air merupakan sumber

energi yang bersih karena tidak menghasilkan polutan. Berbeda dengan sumber

energi fosil, air tidak mempunyai potensi merusak ozon maupun potensi

pemanasan global.

Dari data yang dikeluarkan oleh Departemen Energi dan Sumber Daya

Mineral Republik Indonesia, pemanfaatan energi air di Indonesia masih sangat

kecil, baru sekitar 2,5% dari potensi yang bisa mencapai 75000 MW. Di Indonesia

terdapat 1315 kawasan yang berpotensi menjadi sumber energi tenaga air, dan

2

daerah-daerah tersebut tersebar dari Sabang sampai Marauke. Daerah-daerah yang

diprediksi memiliki potensi tersebut, antara lain : Pulau Papua 22371 MW, pulau

Kalimantan 21611 MW, pulau Sumatra 15804 MW, pulau Sulawesi 10203 MW,

pulau Jawa 4531 MW, kepulauan Nusa Tenggara (Bali, NTB dan NTT) 674 MW

dan kepulauan Maluku 430 MW. Data-data di atas merupakan sumber pembangkit

tenaga air dengan kapasitas besar, belum termasuk sumber-sumber pembangkit

tenaga air dengan kapasitas kecil. Untuk memanfaatkan potensi tersebut

diperlukan suatu teknologi terapan agar masyarakat kecil dapat menyediakan

energi listrik secara swadaya.

Pembangkit listrik tenaga air menggunakan turbin sebagai alat untuk

mengkonversi potensi energi air menjadi energi mekanik untuk memutar

generator listrik. Untuk daya yang kecil (mikrohidro/pikohidro), turbin aliran

silang (crossflow) banyak digunakan. Sudu turbin aliran silang biasanya dibuat

dari pelat yang dilengkung. Pembuatan sudu tersebut tentu saja tidak mudah,

apalagi bagi masyarakat kebanyakan. Geometri sudu turbin aliran silang

sebenarnya sama dengan geometri pipa yang dibelah dengan besar sudut busur

tertentu. Oleh karena itu sudu turbin dapat dibuat dari pipa yang dibelah, sehingga

pembuatannya lebih mudah. Pembuatan runner yang mudah akan membuat biaya

yang dikeluarkan menjadi murah. Masyarakat akan dapat membuat sendiri

sehingga masyarakat dapat berswadaya energi listrik. Sampai sekarang ini

pemanfaatan pipa dibelah sebagai sudu turbin aliran silang tidak banyak dilakukan

sehingga informasi mengenai unjuk kerjanya kurang diketahui.

3

Gambar 1.1 Runner Turbin aliran silang

1.2 Rumusan Masalah

Informasi tentang unjuk kerja turbin aliran silang dengan sudu dibuat dari

pipa yang dibelah tidak banyak diketahui. Pada penelitian ini akan dibuat turbin

aliran silang dengan sudu dari pipa yang dibelah. Turbin tersebut akan diteliti

unjuk kerjanya pada berbagai variasi debit dan head air masuk.

1.3 Tujuan dan Manfaat

1.3.1 Tujuan

Tujuan penelitian ini adalah :

a. Membuat runner turbin aliran silang dengan menggunakan sudu dari

pipa yang dibelah untuk pembangkit listrik agar mudah dibuat oleh

masyarakat.

b. Mengetahui dan membandingkan daya serta efisiensi menyeluruh

terbaik dari variasi debit,beban generator, dan tinggi nozzle.

Sudu

Piringan Runner

Poros

4

1.3.2 Manfaat

Hasil penelitian ini diharapkan dapat:

a. Menambah kepustakaan teknologi pembangkit listrik tenaga air

mikrohidro.

b. Diterapkan di masyarakat yang berada dekat sumber air dan belum

mendapat pasokan listrik sehingga dapat menyediakan energi listrik

secara swadaya .

c. Mengurangi ketergantungan terhadap minyak bumi.

d. Membangunkan kepedulian masyarakat terhadap upaya konservasi air.

5

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Tinjauan Pustaka

Unjuk kerja turbin aliran silang dipengaruhi oleh banyak parameter antara

lain adalah jumlah sudu, sudut pancaran air masuk, sudut keluar, posisi pancaran

air masuk, lintasan aliran air di dalam turbin, rasio lebar dan diameter runner,

rasio diameter dalam dan diameter luar serta manufaktur runner maupun nozzle.

Geometri runner turbin aliran silang dapat dilihat pada gambar 2.3 dan 2.5.

Penelitian tentang turbin aliran silang banyak dilakukan untuk sudu yang

dibuat dari plat yang dilengkung. Turbin aliran silang yang dilengkapi dengan

saluran pengarah di dalam runnernya pernah dibuat dan diuji (Olgun, 2000).

Saluran pengarah dibuat dengan tujuan untuk mengumpulkan dan mengarahkan

air yang keluar dari sudu atas agar dapat menuju sudu bawah dengan lebih baik.

Tiga bentuk saluran telah dibuat dan diuji dengan berbagai variasi posisi saluran

pengarah serta variasi bukaan nozzle. Penambahan saluran di dalam runner

ternyata tidak menaikkan efisiensi tetapi justru menurunkan efisiensi turbin aliran

silang sebesar 5 %.

Penelitian terhadap pengaruh perbandingan diameter dalam dan diameter

luar runner juga telah dilakukan (Olgun, 1998). Dalam penelitian ini digunakan 4

buah runner. Runner yang diuji mempunyai jumlah sudu 28 buah, diameter luar

170 mm, dan lebar 114 mm. Perbandingan diameter dalam dan diameter luar

untuk tiap runner dibuat berbeda. Perbandingan diameter dalam dan diameter luar

6

yang digunakan adalah 0,75; 0,67; 0,58; dan 0,54. Sudut masuk pancaran air

dipilih sebesar 16o. Hasil penelitian menunjukkan bahwa efisiensi tertinggi

dicapai pada perbandingan 0,75 dan terendah pada perbandingan 0,54 dengan

perbedaan sebesar 3%. Efisiensi tertinggi yang bisa dicapai adalah sebesar 72%.

Penelitian terhadap pengaruh sudut nozzle menunjukkan bahwa efisiensi

akan semakin besar jika sudut nozzle semakin besar (Khosrowpanah, 1988).

Penelitian ini menggunakan 3 buah runner dengan jumlah sudu 20, 15 dan 10

serta 1 buah runner dengan diameter setengah dari diameter runner yang lain,

sedangkan jumlah sudunya 20. Dari penelitian ini juga didapatkan bahwa efisiensi

tertinggi dari tiap runner dicapai pada kecepatan spesifik yang sama. Semakin

banyak jumlah sudu akan memberikan efisiensi yang semakin tinggi, namun

jumlah sudu tersebut ada batasnya. Untuk sudut nozzle tertentu efisiensi

maksimum dicapai pada jumlah sudu tertentu. Ada jumlah sudu optimum untuk

sudut nozzle tertentu (Joshi,1995).

2.2 Landasan Teori

2.2.1 Definisi Turbin Air

Turbin air adalah salah suatu mesin berputar yang mengkonversi energi dari

suatu gerakan aliran air menjadi energi mekanis. Energi mekanis ini kemudian

ditransfer melalui suatu poros untuk mengoperasikan mesin atau generator. Turbin

air digunakan pada pembangkit listrik tenaga air (PLTA) untuk mengubah energi

mekanik menjadi energi listrik, dengan memanfaatkan aliran dan tinggi air jatuh.

Air dibawah tekanan tinggi di dalam dam dilepaskan ke dalam suatu saluran

dimana akan menggerakan impeler turbin sehingga menyebabkan putaran yang

7

cepat. Daya mekanis ini kemudian ditransfer ke generator oleh suatu poros dan

kemudian akan menghasilkan energi listrik. Pemilihan suatu turbin tergantung

pada karakteristik lokasi, karena menentukan tinggi air jatuh dan kapasitas air.

Selain itu pemilihan turbin juga tergantung dari kecepatan putar yang diminta oleh

generator.

2.2.2 Perkembangan Turbin Air

Bentuk yang paling tua dan sederhana dari turbin air adalah kincir air, yang

pertama kali digunakan oleh bangsa yunani pada abad pertengahan. Perpindahan

dari bentuk kincir air ke bentuk turbin air modern memakan waktu sekitar 100

tahun. Pada awal abad ke 19 seorang insinyur Prancis yang bernama Claude

Bourdin menemukan kata turbin yang diambil dari bahasa latin yang berarti

memutar atau pusaran air. Perkembangan turbin air mulai terlihat pada

pertengahan abad 18 :

1. Pada pertengahan abad 17 Jan Andrej Segner mengembangkan suatu

turbin air reaktif, yang merupakan mesin yang sangat sederhana yang

hingga saat ini masih dapat dijumpai di lokasi hidro yang kecil.

2. Pada tahun 1826 Benoit Fourneyron mengembangkan sebuah turbin air

berefisiensi 80%. Air diarahkan menyimpang melalui turbin runner

sehingga turbin runner berputar (turbin aliran keluar).

3. Pada tahun sebelumnya sekitar tahun 1820, Jean- Victor Poncelete

mendisain turbin air aliran dalam, dengan menggunakan prinsip yang

sama dia mendapat U.S.paten di tahun 1838.

8

4. Pada tahun 1848 James B. Francis mengembangkan disain turbin air

aliran dalam untuk mendapatkan efisiensi yang lebih tinggi (90%) yang

disebut turbin Francis.

2.2.3 Jenis-jenis Turbin Air

Terdapat berbagai jenis turbin air yang digunakan untuk penyediaan

kebutuhan energi listrik. Turbin air biasanya dikelompokan berdasarkan kegunaan

tertentu, kapasitas aliran dan tinggi air jatuh. Oleh karena itu turbin air

diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara. Secara umum turbin air

dikelompokkan menurut tinggi air jatuh (Head) dan juga prinsip kerja turbin

tersebut merubah energi air menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini

turbin air dibagi menjadi :

Tabel 2.1 Klasifikasi Turbin Terhadap Head Head tinggi Head sedang Head rendah

Turbin impuls Turbin pelton

Turbin turgo

Turbin aliran

silang

Turbin pelton

multi jet

Turbin turgo

Turbin aliran

silang

Turbin reaksi Turbin francis Turbin kaplan

9

2.3 Turbin Aliran silang (crossflow)

Turbin aliran silang atau yang juga dikenal dengan nama Turbin Michell-

Banki merupakan salah satu jenis turbin impuls. Turbin aliran silang terdiri dari

dua bagian yaitu nozzle dan runner. Turbin aliran silang menggunakan nozzle

berpenampang persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner.

Sedangkan tinggi nozzle dapat diubah-ubah karena menggunakan sebuah katup

yang dapat diset ketinggiannya. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang

dipasang pada sepasang piringan paralel. Pancaran air dari nosel masuk turbin dan

mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis.

Pancaran air masuk turbin melalui bagian atas, memberikan energi ke sudu

kemudian masuk ke bagian dalam turbin dan keluar melalui bagian bawah turbin.

Turbin mengambil energi air dua kali yaitu melalui sudu atas dan sudu bawah.

Pada bagian atas turbin mengambil energi sebesar 72 % dan pada bagian bawah

turbin mengambil energi sebesar 28 %.

Gambar 2.1 Turbin Aliran Silang

aliran air

Katup nozzle

poros

sudu

10

Dari kapasitas air dan tinggi air jatuh dapat diperoleh potensi daya air yang

tersedia yaitu (Dietzel, 1996, hal. 2) :

HQgPin ρ= (1)

Dengan

P : daya yang tersedia (W),

ρ : massa jenis air (kg/m3),

g : percepatan gravitasi (m/detik2),

Q : debit air (m3/detik),

H : tinggi air jatuh (m),

Gambar 2.2 Aliran Air Pada Turbin Aliran Silang (Mockmore, 1949, hal. 6)

11

Pada gambar 2.2 diasumsikan bahwa pancaran air dari nosel masuk ke

dalam runner pada titik A dengan membentuk sudut α terhadap kecepatan

kelilingnya. Kecepatan air memasuki runner (V1 ) dihitung dengan

(Mockmore,1949,hal 6) :

V1=C (2gH)½ (2)

dengan C merupakan koefisien kerugian pada nosel

Daya teoritis yang dihasilkan turbin adalah

( ) 12211 coscos uVVQPth ααρ +=

Atau ( )

+−=

1

21111 cos

cos1 cos

ββψαρ uVuQPth (3)

Dengan

u1 : kecepatan keliling runner,

β1 : sudut antara kecepatan relatif air masuk pada sudu atas dengan

kecepatan keliling,

β2 : sudut antara kecepatan relatif air masuk pada sudu bawah dengan

kecepatan keliling.

Dengan mengambil besar sudut β2 = β1 maka :

( ) ( )ψαρ +−= 1 cos 1111 uVuQPth (4)

Efisiensi turbin yang merupakan perbandingan antara daya yang dihasilkan turbin

dengan daya air yang tersedia adalah (Mockmore, 1949, hal 8):

( )

−+=

1

11

1

12T cos 12

V

u

V

uC αψη (5)

12

Secara teoritis efisiensi turbin dipengaruhi oleh kecepatan pancaran air masuk

turbin dan sudut pancaran air.

Untuk menghasilkan listrik poros turbin dihubungkan dengan poros

generator. Hubungan ini melalui sistem transmisi yang ditentukan berdasarkan

putaran poros turbin dan putaran kerja generator. Daya listrik (P) yang dihasilkan

generator dapat diketahui setelah arus dan tegangan yang dihasilkan diukur.

Besarnya daya listrik adalah

Pout = V I (6)

dengan

Pout : Daya yang dihasilkan generator (watt)

V : tegangan listrik yang dihasilkan (volt)

I : kuat arus listrik yang dihasilkan (ampere)

Efisiensi menyeluruh (efisiensi nozzle, turbin, transmisi dan generator) dihitung

dengan persamaan

100%x out

intotal P

P=η (7)

Perhitungan ukuran-ukuran turbin menggunakan asumsi sudut pancaran air

masuk (α1) sebesar 16o dan nilai ψ = 0.98 , C = 0.98 dan k = 0,087

(Mockmore,1949, hal 17). Dengan asumsi tersebut secara teoritis dapat dicapai

efisiensi maksimum turbin sebesar 87,8% (Mockmore,1949, hal 9).

Ukuran turbin aliran silang ditentukan berdasarkan lebar dan diameter

runner. Lebar dan diameter runner dapat ditentukan dengan persamaan

(Mockmore,1949, hal 17)

13

LD1 = 210,6 Q/H½ (8)

dengan

L : lebar runner (inch)

D1 : diameter runner (inch)

Q : debit air (ft3/s)

H : tinggi jatuh air (ft)

Lebar runner ditentukan dengan terlebih dahulu menentukan diameter turbin yang

direncanakan. Pemilihan diameter turbin akan menentukan putaran kerja turbin,

sehingga dalam pemilihannya mempertimbangkan putaran kerja generator.

Putaran kerja turbin (N) adalah (Mockmore,1949, hal 15):

N =862H½/ D1 (9)

Setelah diameter runner ditentukan maka dapat dihitung besarnya jari-jari

kelengkungan sudu (ρ) yaitu (Mockmore,1949, hal 15) :

ρ = 0.326 D1/2 (10)

Karena sudu akan dibuat dari pipa yang dibelah maka kemudian dipilih pipa

dengan jari-jari mendekati jari-jari kelengkungan sudu hasil perhitungan. Setelah

pipa untuk sudu ditentukan maka diameter runner dihitung kembali dengan :

D1 = 2 ρ / 0.326 (11)

Lebar runner ditentukan dengan

L = 210,6 Q/(H½ D1) (12)

Lebar velk radial (a ) ditentukan dari persamaan (Mockmore, 1949, hal 12) :

a = 0,17 D1 (13)

14

Gambar 2.3 Kelengkungan Sudu (Mockmore, 1949, hal. 16)

Untuk sudut pancaran air (α1) sebesar16o maka sudut sudu (δ) adalah 73o 28’

(Mockmore, 1949, hal. 15). Dengan demikian untuk sudu dari pipa maka sudu

dibuat dengan membelah pipa dengan sudut busur 73o 28’.

Gambar 2.4 Sketsa Pipa Dibelah Dengan Sudut 73o 28’

Jarak antar sudu (t) dihitung dengan persamaan (Mockmore, 1949, hal 10)

15

t = s1/sin β1 (14)

dengan

s1 = kD1 (Mockmore, 1949, hal 14),

β1 = 30o (Mockmore, 1949, hal 10), untuk α =16

Gambar 2.5 Jarak Antar Sudu (Mockmore, 1949, hal. 9)

Jumlah sudu (n) ditentukan dengan (Mockmore, 1949, hal 17)

n = л D1/t (15)

Nozzle turbin Aliran silang berbentuk persegi panjang. Penrhitungan ukuran

nozzle:

so = Q / (V1 L) (16)

16

Gambar 2.6 Penampang Nozzle

Torsi yang terjadi adalah sebagai berikut

N

PT d510 x 74,9= (17)

Untuk menentukan diameter poros dѕ, digunakan persamaan berikut ini

3

1

1,5

= TCKd bt

as τ

(18)

dengan ds = diameter poros (mm)

Kt = faktor koreksi 1

Cb = faktor koreksi 2

aτ = tegangan bahan yang diizinkan (kg/mm2)

17

BAB III

PELAKSANAAN PENELITIAN

3.1 Diagram Alir

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian

3.2 Bahan Penelitian

Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah:

a. Pipa hitam diameter 1 ¼ inch , panjang 1m

b. Plat tebal 15 mm x 100 mm x 100 mm , 2 buah

c. Besi poros diameter 30 mm x 300 mm.

START

STUDI PUSTAKA

PERANCANGAN TURBIN ALIRAN SILANG

PEMBUATAN TURBIN ALIRAN SILANG

PENELITIAN TURBIN ALIRAN SILANG

PENGAMBILAN DATA

PENGOLAHAN DATA

SELESAI

18

3.3 Peralatan Penelitian

Peralatan yang digunakan pada penelitian ini adalah:

a. Alat uji turbin

b. Tachometer,multimeter

c. Peralatan kerja bangku, mesin : bubut,milling,las

d. Alat ukur (roll meter, jangka sorong, siku)

3.4 Jalannya Penelitian

3.4.1 Persiapan

Tahap awal dari penelitian ini adalah studi pustaka. Pada tahap ini, bahan-

bahan yang akan digunakan sebagai referensi dikumpulkan. Referensi yang

dikumpulkan berasal dari berbagai sumber, namun kebanyakan berasal dari

internet. Referensi ini berupa hasil penelitian lembaga lain dan buku-buku acuan.

Tahapan selanjutnya adalah pembuatan jadwal kerja yang akan digunakan

sebagai pedoman untuk mencapai efisiensi waktu yang maksimal.

3.4.2 Pembuatan Alat

3.4.2.1 Desain Alat

Pada tahapan ini, gambar kerja dibuat. Sebelum membuat gambar kerja,

terlebih dahulu dibuat sketsa alat.

Alat uji turbin juga akan digunakan pada pelaksanaan uji prestasi. Penelitian

akan dilaksanakan dengan membuat sebuah runner (runner A) dengan diameter

dan panjang yang sama dengan runner dari alat uji turbin (runner B). Sedangkan

19

perbedaannya terletak pada jumlah sudu, bahan sudu, dan proses manufakturing

runner.

Runner B akan dilepas, dan digantikan dengan runner A. Sedangkan

komponen lain seperti rumah runner, generator, transmisi sabuk dan puli, panel-

panel listrik, dan nozzle akan tetap dipakai pada penelitian ini.

Pada penelitian ini, turbin yang akan dibuat dirancang untuk memanfaatkan

tenaga air yang memiliki head 4,5 m, debit 8 L/s. Sudu dibuat dari pipa hitam

berdiameter 1,25 inch, yang dibelah dengan sudut 73,28˚.

Pada saat pengambilan data, dilakukan variasi debit 10,6 L/s, 9,3 L/s, dan

8,3 L/s, untuk variasi beban generatornya adalah 10 W, 15 W, 25W, 40 W, 60 W,

dan 100 W. Variasi lainnya adalah tinggi nozzle 14mm, 9mm, dan 4mm

Penelitian ini tidak dilakukan di lapangan, melainkan disimulasikan dengan

menggunakan peralatan-peralatan yang telah direncanakan dan dipersiapkan oleh

kelompok studi Rekayasa Tenaga Air. Untuk menggantikan laju aliran sungai,

digunakan sebuah pompa berkapasitas maksimum 10 L/dtk, Head 22 m dan

kecepatan putar 1500 rpm.

Pompa mengalirkan air yang ditampung pada sebuah bak air kapasitas 240

liter. Air tersebut dipompakan menuju ke nozzle melalui pipa penstock

berdiameter 2 inch. Untuk mengatur debit dan head masuk Nozzle, dipasang dua

buah kran pada pipa penstock. Air yang masuk ke nozzle akan digunakan untuk

memutar Runner di dalam rumah runner, kemudian masuk kembali ke dalam bak

penampung. Poros runner dihubungkan ke poros generator menggunakan

transmisi sabuk dan puli. Selain itu juga digunakan kopling flens luwes.

20

Generator akan menghasilkan listrik. Listrik yang dihasilkan kemudian

diukur saat pengambilan data.

Gambar 3.2 Alat Uji Turbin

3.4.2.2 Perancangan Runner

Untuk pembuatan runner, dipakai sudu dari pipa yang dibelah. Perancangan

dan perhitungannya adalah sebagai berikut:

a. Data perancangan

Debit (Q) = 8 L/s

= 0,283 ft3/s

Head (H) = 4,5 m

= 14,764 ft

Koefisien kecepatan nozzle (C) = 0,98

21

Faktor koreksi nozzle (k) = 0,087

Sudut masuk (α) = 16°

Gravitasi (g) = 32,18 ft/s2

Diameter pipa untuk sudu (d1) = 1,25 inch

b. Velocity of jet nozzle (V)

gHCV 2=

764,1418,32298,0 ××=V

211,30=V ft/s

c. Radius sudu (ρ)

ρ = 0,5 d1

= 0,5 . 1,25

= 0,625 inch

d. Diameter runner (D1)

ρ = 0,326 r1

r1 = 0,625 / 0,326

D1 = 3,834 inch

e. Panjang dan diameter runner (LD1)

LD1 = 210 . Q/H½

= 210 . 0,283 / (14,764) ½

= 15,485 inch2

22

f. Panjang runner (L)

L = 15,485/D1

= 15,485/3,834

= 4,038 inch

g. Kecepatan putar runner (N)

N = 862 . H½ / D1

= 862 . (14,764) ½ / 3,834

= 863,796 rpm

h. Lebar nozzle (s0)

A = Q / V

= 0,283 / 30,211

= 0,009 ft2

S0 = A / L

= 0,009 . 144 / 4,038

=0,321 inch

i. Jarak sudu pada runner (s1,t)

s1 = k . D1

= 0,087 . 3,834

= 0,334 inch

t = s1 / sinβ1

23

= 0,334 / sin ( tan-1 ( 2.tan16°))

= 0,671 inch

j. Jumlah sudu (n)

n = π . D1 / t

= 3,14 . 3,834 / 0,671

= 18 buah

k. Radial rim width (a)

a = 0,17 . D1

= 0,17 . 3,834

= 0,652 inch

l. Diameter dalam runner = D1-2(a)

= 3,834 – 2 (0,652 )

= 2,531 inch

m. Daya air (Pair)

Pair = Q . H / 8,8

= 0,283 . 14,764 / 8,8

= 0,474 HP

24

n. Daya turbin maksimum (Pturbin, Pd)

Pturbin = Pair .η

= 0,474 . 0,878

= 0,416 HP

o. Torsi (T)

N

PT d510 x 74,9=

863,796

354,010 x 74,9 5=

230,853= kg/mm

p. Bahan poros

Bσ = 10 kg/mm2

21 SfSfB

a ⋅=

στ

43

10

⋅=

833,0= kg/mm2

25

q. Diameter poros

31

1,5

= TCKd bt

as τ

31

230,38515,1833,0

1,5

⋅⋅⋅=

= 15,24 mm (dipilih 25 mm)

r. Geometri turbin ( lihat gambar 2.3 , 2.5 , dan 2.6) :

diameter pipa untuk sudu (d1) = 1,250 inch = 31,750 mm

radius sudu (r1) = 0,625 inch = 15,875 mm

diameter runner (D1) = 3,834 inch = 97,393 mm

panjang runner (L) = 4,038 inch = 102,575 mm

radial rim width (a) = 0,652 inch = 16,557 mm

diameter dalam = 2,531 inch = 64,279 mm

lebar nozzle (s0) = 0,333 inch = 8,470 mm

jarak sudu pada piringan (t) = 0,671 inch = 17,033 mm

diameter poros = 0,984 inch = 25,000 mm

sudut busur sudu = 73,28°

sudut masuk (α) = 16°

jumlah sudu (n) = 18 buah

26

3.4.2.3 Pembuatan Runner

Setelah perancangan selesai, dilanjutkan dengan pembuatan runner.

langkah pertama adalah pembuatan sudu. Pipa hitam dipotong-potong dengan

panjang 103 mm, kemudian dibelah dengan sudut 74° sebanyak 18 buah.

Pembelahan dapat dilakukan dengan gergaji tangan atau dengan mesin skrap.

Pembuatan alat dilanjutkan dengan membuat piringan dan poros runner.

piringan dan poros dibentuk menggunakan mesin bubut. Piringan dibuat 2 buah,

satu untuk sebelah kanan, satu untuk sebelah kiri. Setelah selesai pengeboran,

piringan dan poros disambung dengan las. Pengelasan dilakukan dengan teliti

supaya hasilnya simetris dan tidak oleng. Setelah kedua piringan terpasang, sudu-

sudu dipasang satu per satu. Pemasangan dilakukan dengan cara silang menyilang.

Setelah satu sudu selesai dilas, dilanjutkan dengan sudu yang ada di seberangnya.

Hal ini dilakukan untuk menghindari adanya defleksi akibat panas saat

pengelasan.

Pengelasan sudu dilakukan secara bertahap. Empat sudu dilas terlebih

dahulu. Masing-masing 1 buah sudu untuk bagian atas, bawah, kanan dan kiri.

Pengelasan 4 sudu ditujukan untuk menjaga agar posisi poros setelah dipotong

tetap center. Setelah selesai dipotong, sudu yang lain kemudian dilas.

Setelah semua sudu dilas, dilakukan finishing dengan gerinda tangan. Sisa-

sisa pengelasan diratakan. Sesudah itu, dilakukan balancing geometri dengan

mesin bubut.

27

3.4.2.4 Pemasangan Runner ke Alat Uji Turbin

Runner kemudian dipasang ke alat uji turbin. Setelah selesai dipasang,

rumah bantalan yang terdapat di sisi kanan dan kiri rumah runner dipasang.

Diikuti dengan pemasangan kopling transmisi sabuk dan puli.

Setelah dipastikan semua bagian terpasang, penelitian dilanjutkan dengan

uji prestasi.

3.4.3 Uji Prestasi

Pada tahap ini dilakukan pengambilan data untuk mengetahui unjuk kerja

dari turbin crossflow.

Variabel yang divariasikan :

a. Debit air, yaitu : 10,6 L/s ; 9,3 L/s ; 8,3 L/s

b. Tinggi nozzle : 14 mm ; 9 mm ; 4 mm

c. Beban generator : 10 W ; 15 W ; 25 W ; 40 W ; 60 W ; 100 W

Variabel yang diukur :

a. Head air

b. Tegangan yang dihasilkan generator

c. Arus yang dihasilkan generator

d. Putaran turbin

28

Langkah penelitian :

a. Isi bak penampung dengan air

b. Pasang runner pada alat uji turbin

c. Nyalakan pompa air

d. Atur Debit air = 10,6 L/s, dengan mengatur dua kran pada pipa penstock

e. Atur tinggi nozzle = 14 mm , dengan cara memutar lengan pengatur di

samping atas rumah runner

f. Ukur dan catat tekanan air dengan manometer pada saluran nozzle

g. Pasang beban (lampu) 10 Watt

h. Nyalakan Panel Hubung Bagi

i. Ukur dan catat tegangan serta arus listrik yang dihasilkan generator

menggunakan multimeter

j. Ukur dan catat putaran generator menggunakan tachometer

k. Matikan Panel Hubung Bagi

l. Ulangi langkah g-k untuk beban = 15 W; 25 W; 40 W; 60 W; 100W

m. Ulangi langkah e-l untuk tinggi nozzle = 9 mm ; 4 mm

n. Ulangi langkah d-m untuk debit = 9,3 L/s ; 8,3 L/s

o. Matikan pompa air

3.4.4 Analisa Data

Pengolahan data dilakukan sebagai berikut :

a. Hitung potensi daya air dengan persamaan 1 untuk tiap variasi debit.

b. Hitung daya yang dihasilkan generator dengan persamaan 6 untuk tiap

variasi

29

c. Hitung efisiensi total dengan persamaan 7 untuk tiap variasi

d. Analisis dilakukan dengan membuat grafik hubungan putaran turbin

dengan daya dan grafik hubungan putaran turbin dengan efisiensi untuk

tiap variasi

3.5 Kesulitan Penelitian

Kesulitan yang dihadapi pada saat pelaksanaan penelitian adalah sebagai berikut:

a. Pengukuran debit air karena proses pengerjaan flowmeter belum selesai

b. Pembuatan alur kelengkungan sudu pada piringan runner, sehingga untuk

menggantikan alur dibuat lubang-lubang kecil pada piringan

c. Penempatan sudu terhadap piringan runner pada saat dilas

d. Penyesuaian kondisi peralatan yang digunakan supaya mendekati data

perancangan

30

BAB IV

PEMBAHASAN

4.1 Hasil Penelitian

4.1.1 Data Variasi Debit 10,6 L/s

Tabel 4.1 Data dengan Tinggi Nozzle 9 mm, Debit 10,6 L/s

No.

Beban Tegangan Putaran (N)

Arus Pin Daya (Pout)

ηtotal

(Watt) (Volt) (rpm) (Ampere) (Watt) (Watt) (%)

1 10 190 852,8 0,1

658,67

19,0 2,88

2 15 185 847,2 0,14 25,9 3,93

3 25 180 844,4 0,16 28,8 4,37

4 40 170 836,9 0,22 37,4 5,68

5 60 155 827,8 0,3 46,5 7,06

6 100 140 818,5 0,36 50,4 7,65

Tabel 4.2 Data dengan Tinggi Nozzle 14 mm, Debit 10,6 L/s

No.

Beban Tegangan Putaran (N)

Arus Pin Daya (Pout)

ηtotal

(Watt) (Volt) (rpm) (Ampere) (Watt) (Watt) (%)

1 10 200 869,4 0,7

365,93

28,0 7,65

2 15 190 858,9 0,9 34,2 9,35

3 25 185 855,7 1,0 37,0 10,11

4 40 175 848,4 1,2 42,0 11,48

5 60 160 842,3 1,4 44,8 12,24

6 100 140 837,3 1,7 47,6 13,01

31

4.1.2 Data Variasi Debit 9,3 L/s

Tabel 4.3 Data dengan Debit 9,3 L/s, Tinggi Nozzle 9 mm No.

Beban Tegangan Putaran (N)

Arus Pin Daya (Pout)

ηtotal

(Watt) (Volt) (rpm) (Ampere) (Watt) (Watt) (%)

1 10 179 828,8 0,08

507,26

14,32 2,82

2 15 171 822,6 0,10 17,10 3,37

3 25 165 810,7 0,12 19,80 3,90

4 40 153 789,2 0,16 24,48 4,83

5 60 148 768,9 0,18 26,64 5,25

Tabel 4.4 Data dengan Debit 9,3 L/s, Tinggi Nozzle 14 mm

No.

Beban Tegangan Putaran (N)

Arus Pin Daya (Pout)

ηtotal

(Watt) (Volt) (rpm) (Ampere) (Watt) (Watt) (%)

1 10 180 818,3 0,04

288,94

7,20 2,49

2 15 176 812,4 0,06 10,56 3,65

3 25 165 810,5 0,08 13,20 4,57

4 40 157 802,7 0,12 18,84 6,52

5 60 143 798,6 0,16 22,88 7,92

32

4.1.3 Data Variasi Debit 8,3 L/s

Tabel 4.5 Data dengan Debit 8,3 L/s, Tinggi Nozzle 9 mm

No.

Beban Tegangan Putaran (N)

Arus Pin Daya (Pout)

ηtotal

(Watt) (Volt) (rpm) (Ampere) (Watt) (Watt) (%)

1 10 140 804,2 0,06

343,83

8,4 2,44

2 15 135 780,4 0,08 10,8 3,14

3 25 132 762,7 0,10 13,2 3,84

4 40 125 749,6 0,12 15,0 4,36

Tabel 4.6 Data dengan Debit 8,3 L/s, Tinggi Nozzle 14 mm No.

Beban Tegangan Putaran (N)

Arus Pin Daya (Pout)

ηtotal

(Watt) (Volt) (rpm) (Ampere) (Watt) (Watt) (%)

1 10 150 797,5 0,04

183,38

6,0 3,27

2 15 140 788,8 0,06 8,4 4,58

3 25 135 776,6 0,08 10,8 5,89

4 40 125 751,8 0,12 15,0 8,18

33

4.2 Pembahasan

4.2.1 Grafik dengan Tinggi Nozzle 9mm, dan 14 mm dengan debit 10,6 L/s

0

10

20

30

40

50

60

700 750 800 850 900Putaran Generator (rpm)

Po

ut

(Wat

t)

tinggi nozzle9mm

tinggi nozzle 14mm

Gambar 4.1 Grafik Daya yang Dihasilkan dengan Putaran Generator untuk Tinggi Nozzle 9mm, dan 14 mm dengan debit 10,6 L/s

Daya terbesar untuk debit 10,6 L/s terjadi pada tinggi nosel 9 mm dan putaran 818,5 rpm

yaitu 50,4 watt. Daya maksimum terjadi saat lampu diberi beban 100 watt. Tinggi nosel

14 mm, daya terbesar yang dapat dihasilkan turbin yaitu 47,6 pada putaran 837,3 rpm

saat lampu diberi beban 100 watt.

34

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

700 750 800 850 900Putaran Generator (rpm)

Efi

sien

si (

%)

tinggi nozzle9 mm

tinggi nozzle14 mm

Gambar 4.2 Grafik Efisiensi dengan Putaran Generator untuk Tinggi Nozzle 9mm, dan 14 mm dengan debit 10,6 L/s

Efisiensi terbesar untuk debit 10,6 L/s terjadi pada tinggi nosel 14 mm dan

putaran 798,6 rpm yaitu 7,92 %. Efisiensi maksimum terjadi saat lampu diberi beban 60

watt. Tinggi nosel 9 mm, efisiensi terbesar yang dapat dihasilkan turbin yaitu 7,65% pada

putaran 818,5 rpm saat lampu diberi beban 100 watt.

35

4.2.2 Grafik dengan Tinggi Nozzle 9 mm, dan 14 mm dengan debit 9,3 L/s

0

5

10

15

20

25

30

700 750 800 850 900

Putaran Generator (rpm)

Po

ut

(Wat

t)

tinggi nozzle9mm

tinggi nozzle 14mm

Gambar 4.3 Grafik Daya yang Dihasilkan dengan Putaran Generator untuk Tinggi Nozzle 9mm, dan 14 mm dengan debit 9,3 L/s

Daya terbesar untuk debit 9,3 L/s terjadi pada tinggi nosel 9 mm dan putaran

768,9 rpm yaitu 26,64 watt. Daya maksimum terjadi saat lampu diberi beban 60 watt.

Tinggi nosel 14 mm, daya terbesar yang dapat dihasilkan turbin yaitu 22,88 pada putaran

798,6 rpm saat lampu diberi beban 60 watt.

36

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

700 750 800 850 900Putaran Generator (rpm)

Efi

sien

si (

%)

tinggi nozzle 9mm

tinggi nozzle 14mm

Gambar 4.4 Grafik Efisiensi dengan Putaran Generator untuk Tinggi Nozzle 4 mm, 9mm, dan 14 mm dengan debit 9,3 L/s

Efisiensi terbesar untuk debit 9,3 L/s terjadi pada tinggi nosel 14 mm dan

putaran 798,6 rpm yaitu 7,92 %. Efisiensi maksimum terjadi saat lampu diberi beban 60

watt. Tinggi nosel 9 mm, efisiensi terbesar yang dapat dihasilkan turbin yaitu 5,25 % pada

putaran 768,9 rpm saat lampu diberi beban 60 watt.

37

4.2.3 Grafik dengan Tinggi Nozzle 4 mm, 9mm, dan 14 mm dengan debit 8,3 L/s

0

2

4

6

8

10

12

14

16

700 750 800 850 900Putaran Generator (rpm)

Po

ut

(Wat

t)

tinggi nozzle9mm

tinggi nozzle14 mm

Gambar 4.5 Grafik Daya yang Dihasilkan dengan Putaran Generator untuk Tinggi Nozzle 9mm, dan 14 mm dengan debit 8,3 L/s

Daya terbesar untuk debit 8,3 L/s terjadi pada tinggi nosel 9 mm dan putaran

749,6 rpm yaitu 15 watt. Daya maksimum terjadi saat lampu diberi beban 40 watt. Tinggi

nosel 14 mm, daya terbesar yang dapat dihasilkan turbin yaitu 14 pada putaran 751,8 rpm

saat lampu diberi beban 40 watt.

38

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

700 750 800 850 900

Putaran Generator (rpm)

Efi

sien

si (

%)

tinggi nozzle 9mm

tinggi nozzle 14mm

Gambar 4.6 Grafik Efisiensi dengan Putaran Generator untuk Tinggi Nozzle 4 mm, 9mm, dan 14 mm dengan debit 8,3 L/s

Efisiensi terbesar untuk debit 8,3 L/s terjadi pada tinggi nosel 14 mm dan

putaran 751,8 rpm yaitu 7,63 %. Efisiensi maksimum terjadi saat lampu diberi beban 40

watt. Tinggi nosel 9 mm, efisiensi terbesar yang dapat dihasilkan turbin yaitu 4,36 % pada

putaran 749,6 rpm saat lampu diberi beban 40 watt.

4.3 Analisa

Pada tinggi nosel 9 mm selalu memiliki daya yang lebih besar dari pada

ketinggian 14 mm. Hal ini dikarenakan semakin kecil sudut nosel maka daya yang

dihasilkan akan makin baik. Akan tetapi, sudut terkecil dari nosel agar turbin dapat

bekerja dengan baik mempunyai batas. Pada penelitian ini, batas terkecil dari sudut nosel

39

yaitu pada ketinggian 4 mm. Semakin besar putaran poros, maka daya yang terjadi akan

makin kecil. Hal ini karena penurunan tegangan akibat beban diikuti dengan kenaikan

arus. Perbandingan antara penurunan tegangan lebih kecil dibanding dengan

perbandingan kenaikan arus. Daya yang dihasilkan oleh turbin memiliki batas maksimum.

Setelah mencapai batas maksimum, maka daya akan turun. Kenaikan dan penurunan daya

seperti grafik pada Mock More. Turbin yang digunakan dalam penelitian tidak

menghasilkan daya yang baik karena debit yang digunakan tidak masuk dalam daerah

penggunaan turbin aliran silang yang baik. Turbin akan bekerja dengan baik jika tekanan

pada debit minimal 0,02 m3/s. sedangkan pada penelitian, debit yang digunakan hanya

0,0106 m3/s ( Dietzel,1996 )

Efisiensi terbesar selalu terjadi pada turbin untuk tinggi nosel 14 mm. Hal ini

semakin besar tinggi nosel maka tekanan yang terjadi makin kecil, sedangkan debit yang

mengalir tetap. Makin besar tekanan yang dihasilkan, maka daya yang tersedia makin

besar. Sehingga efisiensi akan turun jika daya yang tersedia makin besar. Karena efisiensi

merupakan perbandingan antara daya yang dihasilkan dengan daya yang tersedia.

Semakin besar putaran poros maka efisiensi yang dihasilkan makin kecil. Hal ini

dikarenakan efisiensi bergantung pada daya yang dihasilkan turbin. Semakin besar daya

turbin, maka efisiensi makin besar. Karena daya yang tersedia tetap sedangkan daya yang

dihasilkan turbin selalu berubah-ubah tergantung pada kenaikan arus maupun penurunan

tegangan. Efisiensi merupakan perbandingan antara daya yang dihasilkan dengan daya

yang tersedia. Efisiensi yang terjadi pada turbin memiliki batas maksimum. Setelah

mencapai batas maksimum, maka efisiensi akan turun. Kenaikan dan penurunan efisiensi

seperti grafik pada Mock More.

40

Efisiensi total yang dihasilkan rendah, hal ini dikarenakan putaran generator

jauh di bawah daerah kerja generator (1400 rpm) sehingga mengakibatkan efisiensi

generator rendah. Selain itu, adanya poros di antara piringan runner juga menghambat

aliran air yang keluar dari sudu atas ke sudu bawah. Sehingga pemanfaatan aliran air oleh

sudu bagian bawah menjadi berkurang. Hal ini dapat mengurangi efisiensi runner.

Tidak diperoleh data untuk beberapa variasi, hal ini disebabkan karena

tegangan yang dihasilkan tidak cukup kuat untuk beban yang dipasang (lampu pijar

220V), sehingga relay pada Panel tidak dapat bekerja. Hasil yang diperoleh tidak stabil,

hal ini disebabkan oleh putaran turbin yang masih oleng. Balancing runner yang

dilakukan kurang baik, karena hanya dilakukan balancing terhadap geometri.

Semakin kecil putaran, semakin besar daya yang dihasilkan. Putaran runner

yang kurang stabil menyebabkan daya yang dihasilkan juga kurang stabil, sehingga pada

grafik dapat dilihat adanya garis trend yang berbentuk parabola yang menghadap ke atas.

Jika dibandingakan dengan runner bawaan dari alat uji turbin, maka diperoleh perbedaan

efisiensi maksimum yang cukup jauh perbedaannya. Proses manufakturing turbin kurang

sempurna sehingga tidak dapat dihasilkan turbin dengan geometri yang sesuai dengan

perancangan.

Perbandingan beban dengan putaran seharusnya berbentuk parabolik dengan

sebuah titik puncak atas. Beban maksimal terjadi di titik puncak atas, dan pada saat

putaran optimal. Ketika menuju ke titik puncak atas, daya dan putaran akan bertambah

besar. Akan tetapi, setelah melewati putaran optimal, daya yang terjadi akan menurun

meskipun putaran tetap naik. Pada hasil penelitian ini, tidak diperoleh hasil seperti pada

41

keterangan di atas. Bahkan dari hasil penelitian diperoleh semakin besar beban yang

diberikan, putaran yang terjadi selalu menurun. Tidak diperoleh berapa kecepatan optimal

turbin. Hal ini disebabkan karena pada penelitian tidak menggunakan horse power brake,

melainkan menggunakan beban lampu pijar. Hal ini menyebabkan putaran generator

tidak dapat diatur. Putaran generator tergantung pada besarnya beban yang digunakan.

Sedangkan titik puncak dan putaran optimum yang sebenarnya tidak diketahui karena

penggunaan beban sebagai variasi hanya sampai dengan 100 W (sebagai pembanding

adalah hasil penelitian Prof. Mockmore, dapat dilihat di lampiran)

42

BAB V

KESIMPULAN

5.1. Kesimpulan

a. Kondisi kerja terbaik turbin adalah pada debit 10,6 L/s dan tinggi nozzle

14 mm sedangkan Efisiensi menyeluruh maksimum dan daya output

maksimum pada kondisi terbaik adalah 13,01 % dan 47,6 W.

b. Pada variasi tinggi nozzle 9 mm daya keluaran paling besar adalah 50,4

watt, yang diperoleh pada debit 10,6 L/s dan putaran 818,5 rpm

c. Pada variasi tinggi nozzle 14 mm daya keluaran paling besar adalah 47,6

watt, yang diperoleh pada debit 10,6 L/s dan putaran 837,3 rpm

d. Pada ketiga variasi ketinggian nosel, ketinggian nosel 9 mm merupakan

ketinggian nosel yang baik.

e. Semakin besar head dan debit, semakin besar daya yang dihasilkan

5.2. Saran

a. Untuk mengukur debit air, sebaiknya digunakan flowmeter

b. Pembuatan runner sebaiknya tanpa poros tengah (antar piringan) sehingga

tidak menghalangi aliran air dari sudu atas

c. Generator yang digunakan pada alat uji turbin diganti dengan generator

yang mempunyai daerah kerja antara 750 rpm sampai dengan 1000 rpm

d. Kalibrasi alat ukur milik laboratorium

43

e. Untuk menghindari oleng, proses pembubutan poros dan piringan

sebaiknya dilakukan sesudah piringan dengan poros dilas, sehingga

piringan dapat center dengan poros

f. Untuk perancangan runner, diusahakan agar piringan tidak terlalu tebal

supaya runner tidak terlalu berat

g. Untuk memperoleh hasil yang lebih detail, beban yang digunakan perlu

ditambah besar dayanya dan variasinya (selisih daya antar variasi

diperkecil)

h. Proses manufakturing runner harus dilakukan dengan benar-benar baik dan

agar hasil yang diperoleh presisi, balance, dan sesuai dengan perancangan.

Hal ini perlu dilakukan karena kepresisian geometri dan keseimbangan

runner sangat mempengaruhi hasil yang diperoleh

DAFTAR PUSTAKA

Dietzel, Fritz , 1996, Turbin Pompa dan Kompresor, cetakan ke-5, Penerbit

Erlangga, Jakarta

Joshi, C. B., Seshadri, V., Singh, S. N., Parametric Study on Performance of

Cross-Flow , Journal of Energy Engineering, Vol. 121, No. 1, April 1995,

pp. 28-45

Khosrowpanah, S, Fiuzat, A. A., Albertson, M., L., Experimental Study of Cross-

Flow Turbine, Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 114, No. 3, March

1988, pp. 299-314

Mockmore, CA., 1949, The Banki Water Turbine, Oregon State College.

Menteri Energi dan Sumber Daya Mineral Republik Indonesia, 2003, Kebijakan

Pengembangan Energi Terbarukan dan Konservasi Energi (Energi Hijau),

Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral, Jakarta

Olgun , H, 2000, Effect of interior guide tubes in cross-flow turbine runner on

turbine performance, International Journal of Energy Research, Volume 24

Issue 11 , September 2000, Pages 935 – 964

Olgun, H , 1998, Investigation of the performance of a cross-flow turbine,

International Journal of Energy Research, Volume 22 Issue 11 , Pages 935 –

964

Pence, Celso, 1998, Layman’s Handbook on How to Develop a Small Hydro Site,

2nd Edition, http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf

LAMPIRAN

LAMPIRAN 1

Peralatan untuk membelah pipa

Proses pembelahan pipa

poros sebelum diassembly

Piringan dan poros sebelum di las

Pemasangan 4 sudu awal

Pengelasan sudu

Runner setelah dilas

Casing Turbin

Alat uji turbin

LAMPIRAN 2

LAMPIRAN 3

PERANCANGAN DAN PENGAMBILAN DATA

Diagram alir penelitian

Diagram alir pengambilan data

START

PERSIAPAN :

- Studi pustaka

- Jadwal

PEMBUATAN ALAT

- Desain alat

- Pembuatan runner

PENGAMBILAN DATA

ANALISA DATA - P ; Pout ; ηtot (tiap variasi) - Grafik dengan variasitinggi

nozzle 9 mm dan 14 mm dari runner A, debit 10,6 L/s; 9,3 L/s; 8,3 L/s.

STOP

END

START

Nyalakan pompa

Atur debit 10,6

Atur tinggi nozzle = 14mm

Ukur tekanan air

Pasang beban 10 watt

Nyalakan PHB

Ukur V,I, N generator

Matikan PHB

Matikan pompa

END

Variasi beban 15;

25; 40; 60; 100 w

Variasi tinggi

nozzle 9; 4 mm

Variasi debit 10,6;

9,3; 8,3 L/s

LAMPIRAN 4

Curva daya utuk Banki turbine dengan head di bawah 16 ft (Mockmore, CA., 1949, The Banki Water Turbine, hlm. 20, Oregon State College)

Curva karakteristik Banki turbine dengan head di bawah 16 ft (Mockmore, CA., 1949, The Banki Water Turbine, hlm. 21, Oregon State College)

Curva daya utuk Banki turbine dengan head di bawah 16 ft (Mockmore, CA., 1949, The Banki Water Turbine, hlm. 22, Oregon State College)