RANCANG BANGUN MODEL TURBIN TESLA UNTUK APLIKASI TURBIN AIR. Design And Manufacturing of Tesla Turbine Model for Water Turbine Application

Transkripsi

1 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: Topan Mustopa Nurdin NIM: POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2012

2 T'.''... \ LEMBAR PENGESAHAN RANCANG BAI\IGUN MODEL TURBIN TESLA UNTUK APITKA-Sr TrrRBrN ArR NEv{:09l2llw5 NIM: 09T Pengrlii:' _, -,,,.. - l. :Ketua: : fh'haqaoi,_mt : 2. Anggota : Rud.i Y. Widiatmoko, M.Sc 3. Anggota : Silvester Sidabutar, MT Tugas Akhir ini telah disidangkan pada tanggal 17 hili20l2 Pembimbing I, daa disablran sesuai degaa kete,ntuan Pernbiurbing II, -BudiTriyqno- IilT NIP a I 000 t Aris Sqr.vadi. MT NIP. l gg0l200l

3 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

4 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

5 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

6 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

7 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 Latar Belakang... I Tujuan... I Ruang Lingkup... I Rumusan Masalah... I Sistematika Penulisan... I-3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI... II Tinjauan Pustaka [5]... II Hukum Mekanika Fluida [3]... II Sifat Fluida Air... II Aliran Fluida... II Persamaan Aliran Fluida... II Tegangan Geser Fluida... II Head Loss... II Turbin [4]... II-9 v

8 2.3.1 Turbin Tesla [5]... II Pembangkit Listrik Tenaga Air... II Elemen Mesin... II Sistem Transmisi [1]... II Poros [2]... II-19 BAB III METODA PENYELESAIAN... III Sistematika Penyelesaian Masalah... III Tahap Perancangan... III Tahap Pembuatan... III Tahap Pengujian... III Analisa dan Evaluasi... III Alternatif Solusi... III Bahan atau Materi TA... III Alat yang Digunakan.... III Metoda Pengambilan Data... III Masalah yang Dihadapi dan Cara Penyelesaiannya... III Sistematika Perhitungan... III-6 BAB IV PROSES, HASIL DAN PEMBAHASAN... IV Tahap Perancangan... IV Identifikasi Kebutuhan... IV Desain Konsep... IV Perhitungan... IV Penentuan Komponen Standar... IV Gambar Kerja... IV Tahap Pembuatan... IV Turbin Tesla... IV-13 vi

9 4.2.2 Rangka... IV Perakitan dan Instalasi Pemipaan... IV Piping Instalation Diagram... IV Sistem Kontrol dan Kelistrikan... IV Tahap Pengujian... IV Tahap Analisa dan Evaluasi... IV-20 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... V Kesimpulan... V Saran... V-1 DAFTAR PUSTAKA vii

10 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

11 Gambar Dudukan Bearing... IV-14 Gambar Poros... IV-14 Gambar Blade Turbin Tesla... IV-15 Gambar Spacer... IV-15 Gambar Rangka Utama... IV-16 Gambar Dudukan Alternator... IV-16 Gambar Instalasi Pemipaan... IV-17 Gambar Piping Instalation Diagram... IV-17 Gambar Rangkaian Listrik Panel... IV-18 Gambar Panel Meter Turbin Tesla... IV-18 ix

12 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

13 DAFTAR LAMPIRAN A. Daftar Riwayat Hidup Penulis. B. Tabel Sifat Air. C. Karakteristik Pompa Grundfos NS Basic D. Gambar Kerja. xi

14 DAFTAR SIMBOL Simbol dan notasinya : v s = kecepatan fluida, (m/s) L = panjang karakteristik, (m) μ = viskositas absolut fluida dinamis,(kg/m.dt) θ = viskositas kinematik fluida: θ = μ / ρ, ρ = kerapatan (densitas) fluida. (kg/m 3 )\ p = panjang tabung (m) l = lebar tabung (m) Q = debit (m 3 /s) v = kecepatan (m s) A = luas penampang (m 2 ) Fx = gaya terhadap x (N) dv = perubahan kecepatan fluida (m/s) dx = perubahan celah antar blade (m) h f = Head loss mayor (m) f = friction loss L = panjang lintasan (m) Dh = diamater Hidrolis (m) h m = head loss minor (m) K = konstanta v = kecepatan aliran (m/s) g = percepatan gravitasi (9.81 m/s 2 ) Pm = rugi-rugi mekanik ( W) Ps = daya poros (W) η H = efisiensi hidrolik (%) η o = efisiensi keseluruhan (%) g = percepatan gravitasi (m/s 2 ) H = head (m) T = torsi (Nm) J = momen inersia polar τ = tegangan geser r = jari-jari poros (m) P = daya (watt) n = jumlah putaran poros permenit (rpm) ω = kecepatan sudut (rad/s) Mb = Momen lentur (kgmm) I = Momen Inersia penampang (mm 4 ) σb = tegangan lentur (kg/mm 2 ) σ = tegangan tarik suatu material xii

15 DAFTAR PUSTAKA 1. Sularso.1997.Dasar Perancangan dan Pemilihan Elemen Mesin.Jakarta:PT Pradnya Paramita 2. Suryanto Elemen Mesin 1. Bandung: Unit Penerbit Politeknik 3. Munson B.R, Okiishi & T.H, Young D.F Mekanika Fluida, Edisi Keempat. Jakarta: Erlangga. 4. Diestzel F Turbin Pompa dan Kompressor. Edisi Kelima. Jakarta: Erlangga. 5. Krisna, Vencat., Vikram Reddy., & S Rajeshwer Design Of Tesla Turbine. tanggal unduh 10 Oktober tanggal unduh : 20 Maret tanggal unduh : 20 Maret tanggal unduh : 20 Maret ayumaulida22.files.wordpress.com, tanggal unduh : 25 Maret priyahitajuniarfan.files.wordpress.com, tanggal unduh : 25 Maret gunawananeva.files.wordpress.com, tanggal unduh : 27 Maret images.yourdictionary.com, tanggal unduh, : 10 April bp.blogspot.com, tanggal unduh : 10 April tanggal unduh :10 April tanggal unduh : 27 Maret tanggal unduh : 27 Maret tanggal unduh : 1 Juli tanggal unduh :1 Juli hakimsimanjuntak.blogspot.com, tanggal unduh :1 Juli static.ddmcdn.com, tanggal unduh :27 Maret tanggal unduh :10 April konversi.wordpress.com, tanggal unduh : 10 April mdmetric.com/tech/ssgradeus.htm, tanggal unduh : 10 April 2012