OPTIMALISASI TRANSMISI PLTA PICO HYDRO SEBAGAI PENUNJANG KONVERSI ENERGI MEKANIK MENJADI LISTRIK

Transkripsi

1 OPTIMALISASI TRANSMISI PLTA PICO HYDRO SEBAGAI PENUNJANG KONVERSI ENERGI MEKANIK MENJADI LISTRIK SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh : AKHMAD NURDIN I JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2016 i

2 perpustakaan.uns.ac.id ii

3 perpustakaan.uns.ac.id iii

4 MOTTO أ س ت اذ و ص ح ب ة و د ر ھ م و اج ت ھ اد و ح ر ص ذ ك اء ب ب ی ان : ت ف ص ی ل ھ ا ع ن س ا ن ب ی ك ب س ت ة إ لا الع ل م ت ن ال ل ن أ خ ي ز م ان و ط و ل Wahai saudaraku ilmu tidak akan diperoleh kecuali dengan enam perkara yang akan saya beritahukan perinciannya, yaitu (1) kecerdasan, (2) semangat, (3) sungguh-sungguh, (4) berkecukupan, (5) bersahabat (belajar) dengan ulama, dan (6) membutuhkan waktu yang lama. (Imam Asy-Syafi i) iv

5 OPTIMALISASI TRANSMISI PLTA PICO HYDRO SEBAGAI PENUNJANG KONVERSI ENERGI MEKANIK MENJADI LISTRIK AKHMAD NURDIN Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta Generator akan menghasilkan energi listrik yang optimal apabila terdapat sistem drive mengirimkan daya dari turbin ke generator dengan arah putaran dan kecepatan sesuai yang dibutuhkan. Tujuan dari penelitian ini bagaimana merancang transmisi roda gigi yang diaplikasikan pada PLTA pico hydro. Terdapat beberapa hal yang diperhatikan dalam merancang transmisi roda gigi, yaitu tegangan bending dan tegangan kontak pada gigi, serta tegangan geser pada porosnya yang masing-masing disimulasikan menggunakan ANSYS 14,5. Bahan yang digunakan untuk membuat roda gigi adalah nylon 6 atau polyamide 6, sedangkan bahan yang digunakan poros adalah ptfe atau teflon. Selanjutnya jika desain disetujui, proses manufacture dapat dimulai. Jika proses manufacture selesai, dilakukan pengujian transmisi pada prototipe pico hydro. Hasil penelitian didapat adalah rasio total transmisi roda gigi 1:2,65 dengan dua buah pasang roda gigi masing-masing memiliki rasio 1:1,73 dan 1:1,52. Simulasi menggunakan ANSYS 14,5 menunjukkan nilai tegangan bending terbesar 6,1453 MPa pada roda gigi driven pasangan pertama, tegangan kontak terbesar 15,415 MPa pada roda gigi driving paangan pertama, tegangan geser terbesar 1,7688 MPa pada poros output. Pada pengujian transmisi menunjukkan daya listrik yang dihasilkan transmisi roda gigi lebih tinggi dibandingkan daya listrik yang dihasilkan transmisi langsung. Kata kunci : Pico Hydro, Spur Gear, Polyamide 6, Ansys Workbench v

6 OPTIMIZATION OF TRANSMISSION FOR PICO HYDROPOWER AS SUPPORTING CONVERSION MECHANICAL INTO ELECTRICAL ENERGY AKHMAD NURDIN Department of Mechanical Engineering Faculty of Engineering Sebelas Maret of University Surakarta Generator generate optimum electrical energy if drive system sends the power from turbine to generator with the direction of rotation and speed as needed. The object of this research is how to design spur gear transmission apply for pico hydropower. There are several point to design spur gear transmission, i.e. the bending stress and contact stress on the teeth, and shear stress on the shaft. The strength of the tooth and shaft, simulation using by Ansys Workbench Materials used to manufacture gears is nylon 6 or polyamide 6 and the shaft material is teflon or ptfe. Furthermore if design allowable the process of manufacture can be begin, and if manufacture finished, carried testing transmission on the pico hydropower prototype The result of this research are the design spur gear transmission have total gear ratio 1: 2.65 with two pairs of gears each 1: 1.73 and 1: Simulate using by Anys Workbench 14.5 shows the value largest bending stress 6,1453 MPa on the gear driven first mate, the contact stress 15,415 MPa on the gears driving first mate, and shear stress 1,7688 MPa on the output shaft. Experimental test the transmission show the gear transmission produce electric power higher than the electric power produced by direct transmission. Keyword : Pico Hydro, Spur Gear, Polyamide 6, Ansys Workbench vi

7 KATA PENGANTAR Puji dan syukur Alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, yang senantiasa melimpahkan rahmat, hidayah serta kekuatan kepada Penulis, sehingga Penulis dapat melaksanakan penelitian dan menyelesaikan laporan Tugas Akhir dengan judul, Optimalisasi Transmisi PLTA - Pico Hydro sebagai Penunjang Konversi Energi Mekanik menjadi Listrik sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dalam penyusunan Tugas Akhir ini penulis banyak memperoleh bantuan dari berbagai pihak yang sangat berarti demi kesempurnaan Tugas Akhir ini. Oleh sebab tersebut pada kesempatan ini penulis mengucapkan rasa terima kasih kepada: 1. Bapak Dr.Eng.Syamsul Hadi, ST,MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UNS. 2. Bapak Prof.Dr.Dwi Aries Himawanto, S.T.,M.T., selaku Pembimbing I tugas akhir, atas bimbingan, nasehat, kesabaran, motivasi dan ilmu pengetahuan yang diajarkannya. 3. Bapak D. Danardono DPT, ST., MT., Ph.D., selaku Pembimbing II tugas akhir, atas bimbingan, nasehat, dan ilmu pengetahuan yang diajarkannya. 4. Bapak Sukmaji Indro Cahyo, ST., MT., selaku Pembimbing teknis dan lapangan, atas bimbingan, nasehatnya. 5. Bapak Eko Prasetya Budiana, ST,MT, selaku Pembimbing Akademik. 6. Bapak-bapak dosen dan staf karyawan di lingkungan Teknik Mesin UNS, atas didikan, nasehat, ilmu yang diajarkan dan kerjasamanya. 7. Ayah, Ibu dan kakak yang selalu memberikan dorongan semangat dan doa kepada Penulis terima kasih untuk kasih sayangnya. 8. Teman-teman Teknik Mesin transfer angkatan 2013 dan teman-teman Teknik Mesin UNS. 9. Seluruh pihak yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini termasuk bengkel las Pak Yadi dan warga kaplingan RT 02. vii

8 Dengan segenap bantuan dan dukungan yang telah diberikan kepada penulis semoga akan mendapat limpahan berkah dari Allah SWT. Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih belum dapat dikatakan sempurna, untuk itu dengan sangat dan rendah hati penulis menerima kritikan maupun saran yang membangun demi kesempurnaan Tugas Akhir tersebut. Akhir kata penulis berharap Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi para pembaca pada umumnya dan penulis pada khususnya. Surakarta, Januari 2016 Penulis viii

9 DAFTAR ISI ABSTRAK... v KATA PENGANTAR... vii DAFTAR ISI... ix DAFTAR GAMBAR... xi DAFTAR TABEL... xii DAFTAR NOTASI... xiii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Batasan Masalah Manfaat Penelitian Metode Penulisan... 4 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Tinjauan Pustaka Dasar Teori Pembangkit Listrik Tenaga Air Pico Hydro Transmisi Roda Gigi Macam-Macam Roda Gigi (Gear) Dasar perhitungan mekanika roda gigi Poros dan Pasak Nylon dan PTFE Generator Metode Elemen Hingga BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Peralatan yang Digunakan Dinamometer Daya Turbin Perbandingan Transmisi Metode Elemen Hingga Permodelan Geometri Kondisi batas Meshing Pengujian Transmisi Garis Besar Pelaksanaan Penelitian BAB IV HASIL DAN ANALISA 4.1 Perencanaan dan Perhitungan Transmisi Perencanaan Spur Gear Perencanaan Poros dan Pasak Distribusi Tegangan Tegangan Roda Gigi Tegangan Poros ix

10 4.3 Pengujian Transmisi BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN x

11 DAFTAR TABEL Tabel 1.1 Sumber energi baru dan terbarukan Di Indonesia (BPPT, 2014). 1 Table 1.2 Klasifikasi PLTA berdasarkan dayanya (Ho-Yan, 2012)... 2 Table 2.1 Klasifikasi PLTA berdasarkan dayanya (Ho-Yan, 2012)... 9 Tabel 2.2 Perbandingan pemilihan turbin berdasarkan karakteristiknya 10 (Ho-Yan, 2012) Tabel 2.3 Standar proporsional roda gigi lurus (Khurmi dan Gupta, 2005). 19 Tabel 2.4 Nilai service factor (C ) (Khurmi dan Gupta, 2005) Tabel 2.5 Nilai y Lewis Factor (Khurmi dan Gupta, 2005) Tabel 2.6 Nilai faktor dinamis (Sularso, 1997) Tabel 2.7 Faktor koreksi daya yang dipindahkan Tabel 2.8 Ukuran pasak berdasarkan diameter poros Tabel 2.9 Sifat kekuatan mekanik nylon 6 atau Polyamide Tabel 2.10 Sifat kekuatan mekanik PTFE atau Teflon Tabel 4.1 Hasil pengujian transmisi xi

12 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Skema pembangkit listrik turbin propeller (Ho-Yan, 2012)... 9 Gambar 2.2 Macam-macam turbin implus (Bonhomme, 2004) Gambar 2.3 Diagram sederhana gearbox (Bhatia, 2012) Gambar 2.4 Rangkaian sederhana roda gigi (Bhatia, 2012) Gambar 2.5 Rangkaian compound (gabungan) (Bhatia, 2012) Gambar 2.6 Rangkaian Planetary/Epicyclic (Bhatia, 2012) Gambar 2.7 Spur Gear (Cheng, 2011) Gambar 2.8 Helical Gear (Cheng, 2011) Gambar 2.9 Bevel gear (Chan, 2011) Gambar 2.10 Worm gear (Cheng, 2011) Gambar 2.11 Terminology roda gigi (Bhatia, 2012) Gambar 2.12 Penampang permukaan roda gigi (Bhatia, 2012) Gambar 2.13 Pemilihan module roda gigi lurus (Sularso, 1997) Gambar 2.14 Gaya-gaya pada gigi (Khurmi dan Gupta, 2005) Gambar 2.15 Tegangan kontak pada roda gigi (Sularso, 2007) Gambar 2.16 Penampang pasak (Chan, 2011) Gambar 3.1 Skema rope brake Gambar 3.2 Daya turbin eksperimental Gambar 3.3 Bentuk permodelan roda gigi Gambar 3.4 Bentuk permodelan poros Gambar 3.5 Kondisi batas pada roda gigi Gambar 3.6 Kondisi batas pada poros Gambar 3.7 Diagram alir penelitian Gambar 4.1 Tegangan bending maksimal roda gigi driving pasangan pertama Gambar 4.2 Tegangan bending maksimal roda gigi driven pasangan pertama Gambar 4.3 Tegangan kontak maksimal roda gigi pasangan pertama Gambar 4.4 Nilai keamanan minimal roda gigi pasangan pertama Gambar 4.5 Tegangan bending maksimal roda gigi driving pasangan kedua Gambar 4.6 Tegangan bending maksimal roda gigi driven pasangan kedua Gambar 4.7 Nilai keamanan minimal roda gigi pasangan kedua Gambar 4.8 Tegangan kontak maksimal roda gigi pasangan kedua Gambar 4.9 Tegangan maksimal pada poros input Gambar 4.10 Nilai keamanan minimal pada poros input Gambar 4.11 Tegangan maksimal pada poros tengah Gambar 4.12 Nilai keamanan minimal pada poros tengah Gambar 4.13 Tegangan maksimal pada poros output Gambar 4.14 Nilai keamanan minimal pada poros output xii

13 DAFTAR NOTASI Notasi Deskripsi Satuan A Perbandingan addendum dengan module - b Lebar gigi mm C service factor - C Faktor beban lentur - DP Diameteral Pitch mm E Modulus Elastisitas MPa f Faktor koreksi daya - f Faktor dinamis G Gaya gravitasi m/s 2 G Gear Ratio J Inertia Polar mm 4 K Faktor tegangan kontak - K Faktor besaran torsi - m Module - n Putaran rpm P Daya Watt P Daya koreksi Watt r Jari-jari Mm sf Safety Factor - T Torsi Nmm v Poisson's ratio - V Kecepatan keliling mm/s W Gaya tengensial N y Faktor Lewis - Z Jumlah gigi pinion - Z Jumalh gigi gear/besar - η Efisiensi % ω Kecepatan sudut rad/s π Bilangan phi - θ Pressure angle 0 σ Tegangan bending MPa σ Tegangan kontak MPa σt Tegangan tarik MPa τ Tegangan geser MPa xiii