DISTRIBUSI TEKANAN FLUIDA PADA NOZEL TURBIN PELTON BERSKALA MIKRO DENGAN MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK SOLIDWORKS Dr. Rr. Sri Poernomo Sari ST., MT. *), Muharom Firmanzah **) *) Dosen Teknik Mesin Universitas Gunadarma **) Alumni Teknik Mesin Universitas Gunadarma ABSTRAKSI Dalam penulisan skripsi ini dibahas mengenai distribusi tekanan fluida pada nozel turbin pelton berskala mikro dengan menggunakan perangkat lunak SOLIDWORKS. Analisis tersebut dilakukan di dalam nozel dengan terlebih dahulu melakukan perhitungan matematis untuk mencari nilai debit aliran, volume, kecepatan aliran, laju aliran massa serta jenis aliran pada nozel dengan diameter 6 mm, 8 mm, dan 10 mm. Hasil dari perhitungan matematis tersebut akan disimulasikan dengan menggunakan perangkat lunak SOLIDWORKS. Berdasarkan dari perhitungan matematis dan hasil simulasi tersebut, bahwa putaran maksimum pada bukaan katup 90 0 menghasilkan sekitar 1585 RPM untuk diameter nozel 6 mm, sedangkan pada bukaan katup 45 0 menghasilkan putaran sekitar 823 RPM. Debit aliran maksimum terjadi pada bukaan katup 90 0 yaitu sekitar 0,83 x10-3 m 3 /s pada diameter 10 mm. Kecepatan aliran maksimum yang dihasilkan adalah sekitar 13,07 m/s pada bukaan katup 90 0 untuk diameter nozzle 6 mm. sehingga Semakin besar bukaan katup, maka debit aliran fluidanya akan semakin besar tetapi kecepatan dan tekanan fluidanya akan menurun. Sedangkan Laju aliran massa fluida terbesar adalah sekitar 0,83 kg/s untuk diameter 10 mm pada bukaan katup 90 0. Dalam proses pengujian kali ini, aliran Turbulen terjadi pada bukaan katup 90 0 dan aliran Transisi terjadi pada bukaan katup 45 0. Sedangkan tekanan output maksimum yang diperoleh untuk diameter nozel 6 mm adalah sekitar 161866 Pa pada bukaan katup 45 0 dan 153802 Pa pada bukaan katup 90 0. Untuk tekanan output maksimum yang diperoleh untuk diameter nozel 8 mm adalah sekitar 129743 Pa pada bukaan katup 45 0 dan 81425,7 Pa pada bukaan katup 90 0. Sedangkan untuk tekanan output maksimum yang diperoleh untuk diameter nozel 10 mm adalah sekitar 108339 Pa pada bukaan katup 45 0 dan 23820,4 Pa pada bukaan katup 90 0. Kata Kunci : Turbin Pelton, Distribusi Tekanan, SOLIDWORKS
I. PENDAHULUAN Saat ini Negara berkembang di dunia, khususnya Indonesia telah membuat turbin air jenis mini dan mikro hydro yang merupakan salah satu energi terbarukan yang mempunyai kapasitas 100 MW untuk skala besar, 5 MW untuk skala kecil dan 100 KW untuk skala mikro. Beberapa keuntungan dari turbin jenis ini antara lain : bahan bakar serta bahan penunjang lainnya sudah tersedia di alam, sumber energi tidak akan habis yaitu berupa air, emisi gas buang yang dihasilkan tidak akan membawa dampak yang signifikan terhadap lingkungan, turbin jenis ini tidak membutuhkan tenaga yang cukup terampil dalam proses pembuatannya maupun biaya perbaikannya apabila terjadi kerusakan. Sedangkan kekurangan dari turbin jenis ini antara lain : arus air bervariasi sepanjang tahun sehingga menyebabkan ketersediaan air yang terkadang tidak menentu serta kapasitas listrik yang dihasilkan dari turbin jenis ini tidak terlalu besar jika dibandingkan dengan turbin-turbin dengan skala besar. Tujuan Penulisan Tugas Akhir ini untuk menganalisis distribusi tekanan fluida pada nozel turbin Pelton berskala mikro dengan menggunakan perangkat lunak SOLIDWORKS. Proses simulasi ini dilakukan untuk mempermudah dalam menganalisis distribusi tekanan maksimum fluida yang mampu dicapai nozel tersebut. II. LANDASAN TEORI 2.1 Turbin Pelton Turbin pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau beberapa nozel. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.1 mengenai gambar sudu turbin Pelton. (10) Gambar 2.1 Sudu Turbin Pelton (3) 2.1.1 Komponen Turbin Pelton Berskala Mikro 2.1.2 Pompa Sentrifugal Pompa sentrifugal ini menghisap fluida dari bak penampungan dan mengubah kecepatan fluida kemudian mentransformasikannya ke tekanan saat fluida terlepas dari pompa melalui pipa-pipa pengalir. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2 merupakan contoh gambar pompa sentrifugal. Gambar 2.2 Pompa Sentrifugal 2.1.3 Bak Penampung Air Bak penampung ini berfungsi sebagai tempat penampungan air yang digunakan untuk mensuplai kebutuhan pompa dalam memperoleh air seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3.
torsi pada poros sudu dimana aliran air yang ditembakkan oleh nozel kearah sudu mengakibatkan daun-daun sudu terdorong dan berputar seperti yang tampak pada Gambar 2.6. Gambar 2.3 Bak Penampungan Air 2.1.4 Pipa Pipa merupakan komponen yang berfungsi sebagai penghubung antara satu komponen dengan komponen lainnya serta sebagai sarana untuk mengalirkan fluida air seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4. Gambar 2.4 Pipa Pengalir 2.1.5 Nozel Nozel adalah berfungsi untuk mengarahkan pancaran air ke sudu turbin, mengubah tekanan menjadi energi kinetik untuk memutar sutu turbin. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.5. Gambar 2.6 Sudu Turbin Pelton Berskala Mikro 2.1.7 Katup Pengatur Tekanan Katup pengatur tekanan ini mempunyai fungsi untuk mengatur tekanan fluida yang akan dteruskan ke nozel sehingga debit aliran yang masuk ke turbin bisa terkontrol sperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2.7. Gambar 2.7 Katup Pengatur Tekanan Gambar 2.5 Nozel Turbin Pelton Berskala Mikro 2.1.6 Sudu merupakan sarana untuk merubah energi air menjadi energi mekanik berupa 2.1.8 Selang Selang pada turbin Pelton berfungsi sebagai penghubung serta sarana untuk fluida mengalir. Tetapi biasanya dialiri untuk fluida yang memiliki tekanan lebih kecil. 2.1.9 Generator Generator merupakan komponen turbin air yang brfungsi untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik seperti yang tampak pada Gambar 2.8.
Gambar 2.8 Generator Mikro 2.2 CATIA Perangkat lunak CATIA (Computer Aided Three-Dimensional Interactive Application) merupakan program komputer yang dibuat dengan mendasarkan pada teori yang terdapat dalam perumusan metode elemen hingga. Perangkat lunak CATIA juga berguna untuk mendesain, memperbaiki, menganalisis dan memproduksi produk yang akan dibuat. Dengan adanya perangkat lunak tersebut yang mempunyai kemampuan lebih luas membuka wawasan baru bagi peneliti untuk menyelesaikan permasalahan lebih cepat. Tampilan prototipenya juga bisa ditampilkan pada layar komputer, sehingga orang yang awam di bidang teknikpun dapat mengetahui dengan mudah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.9 merupakan lembar kerja awal dari perangkat lunak CATIA. menyediakan feature-based dan parametric solid modeling. Feature-based dan parametric ini yang akan sangat mempermudah bagi penggunanya dalam membuat model 3D karena hal ini akan membuat penggunanya bisa membuat model sesuai dengan keinginannya. Tampilan perangkat lunak SOLIDWORKS tidak jauh berbeda dengan perangkat lunak lain seperti yang tampak pada Gambar 2.10. Gambar 2.28 Tampilan Awal Perangkat Lunak SOLIDWORKS III. METODOLOGI PERANCANGAN POROS, SUDU DAN NOZEL TURBIN PELTON BERSKALA MIKRO DENGAN MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK CATIA 3.1 Perancangan Poros, Sudu dan Nozel Turbin Pelton Berskala Mikro Gambar 2.9 Lembar Kerja Awal Perangkat Lunak CATIA 2.3 SOLIDWORKS Perangkat lunak SOLIDWORKS dalam pengambaran/pembuatan model 3D Gambar 3.1 Diagram Alir Perancangan Poros, Sudu dan Nozel Turbin Pelton Berskala Mikro
3.2 Pembuatan Sketsa Poros, Sudu dan Nozel Turbin Pelton Untuk memulai pembuatan geometri, terlebih dahulu dibuat garis-garis yang membentuk komponen poros dan sudu turbin Pelton berskala mikro ini atau membuat model 2D yang kemudian kita ubah menjadi model 3D untuk dilakukannya proses perakitan dan analisis. Proses selanjutnya adalah proses penggambaran poros dan sudu turbin Pelton dengan menggunakan perangkat lunak CATIA seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 3.2 dan Gambar 3.3. Gambar 3.4 Nozel Diameter 6 mm Dengan Menggunakan Perangkat Lunak CATIA Gambar 3.5 Nozel Diameter 8 mm Dengan Menggunakan Perangkat Lunak CATIA Gambar 3.2 Poros Turbin Pelton Dengan Menggunakan Perangkat Lunak CATIA Gambar 3.6 Nozel Diameter 10 mm Dengan Menggunakan Perangkat Lunak CATIA Gambar 3.3 Sudu Turbin Pelton Dengan Menggunakan Perangkat Lunak CATIA Sedangkan seperti yang tampak pada Gambar 3.4, 3.5 dan 3.6 adalah gambar nozel dengan variasi diameter berbeda. 3.3 Perakitan Poros dan Sudu Turbin Pelton Dengan Menggunakan Perangkat Lunak CATIA Sebelum melakukan suatu assembly design di perangkat lunak CATIA, terlebih dahulu dilakukan pembuatan lembar kerja baru karena dalam assembly design ini diperlukan pemanggilan beberapa part yang akan dirakit menjadi satu komponen mesin tertentu. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.7 merupakan hasil proses perakitan antara poros dan sudu turbin Pelton dengan menggunakan perangkat lunak CATIA.
Gambar 3.7 Perakitan Poros dan Sudu Turbin Pelton Dengan Menggunakan Perangkat Lunak CATIA terhubung dengan saluran nozel dimana nozel berfungsi sebagai pemancar air yang dipancarkan langsung ke arah sudu turbin sehingga sudu turbin berputar. Pada sudusudu turbin, energi aliran diubah menjadi energi mekanik yang kemudian akan menghasilkan putaran roda turbin (RPM). Kemudian air yang telah digunakan untuk memutar sudu turbin jatuh kedalam bak penampung untuk kembali ke tahap awal sehingga terjadilah sirkulasi aliran. 3.4 Cara Kerja Turbin Pelton Berskala Mikro IV. PERHITUNGAN dan ANALISIS DATA Gambar 3.8 Diagram Alir Cara Kerja Turbin Pelton Berskala Mikro Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.8, Air ditampung di dalam bak penampung, kemudian air yang berada pada bak penampung dihisap oleh pompa dimana pompa berfungsi untuk menghisap dan memompa air untuk dialirkan ke sudu turbin. Namun aliran air tidak langsung mengarah ke sudu turbin melainkan harus melewati pipa-pipa saluran yang telah diberi katup buka dan tutup sehingga laju aliran air dapat diatur sesuai dengan yang diinginkan. Kemudian katup-katup tersebut Gambar 4.1 Diagram Alir Proses Pengujian dan Analisis Data Pada Turbin Pelton
4.1 Pengambilan Data Dengan Alat Ukur 4.1.1 Pengambilan Data Volume Dengan Menggunakan Gelas Ukur Tabel 4.1 Data Volume Fluida Air Dalam Waktu 3 Detik 4.2 Perhitungan Matematis Tabel 4.4 Debit (Q), Kecepatan (v), Laju Aliran Massa (ṁ) dan Bilangan Reynold 4.1.2 Pengambilan Data Putaran Sudu Turbin Dengan Menggunakan Tachometer Tabel 4.2 Putaran Poros Sudu Turbin Pelton Berskala Mikro 4.1.3 Pengambilan Data Tekanan Input Nozel Dengan Menggunakan Pressure Gauge Tabel 4.3 Tekanan Fluida Air Pada Nozel Turbin Pelton Berskala Mikro Gambar 4.2 Diagram Batang Perbandingan Antara Debit Aliran Fluida Terhadap Putaran Sudu Turbin Pelton Berskala Mikro Untuk Diameter Nozel 6 mm, 8 mm dan 10 mm Pada Bukaan Katup 45 0 Gambar 4.3 Diagram Batang Perbandingan Antara Debit Aliran Fluida Terhadap Putaran Sudu Turbin Pelton Berskala Mikro Untuk Diameter Nozel 6 mm, 8 mm dan 10 mm Pada Bukaan Katup 90 0
4.3 Analisis SOLIDWORKS 4.3.1 Analisis Tekanan Untuk Diameter Nozel 6 mm Pada Bukaan Katup 45 0 4.3.4 Analisis Tekanan Untuk Diameter Nozel 8 mm Pada Bukaan Katup 90 0 4.3.2 Analisis Tekanan Untuk Diameter Nozel 6 mm Pada Bukaan Katup 90 0 4.3.5 Analisis Tekanan Untuk Diameter Nozel 10 mm Pada Bukaan Katup 45 0 4.3.3 Analisis Tekanan Untuk Diameter Nozel 8 mm Pada Bukaan Katup 45 0 4.3.6 Analisis Tekanan Untuk Diameter Nozel 10 mm Pada Bukaan Katup 90 0
V. PENUTUP Berdasarkan dari hasil pengamatan, perhitungan matematis maupun dari hasil simulasi dengan menggunakan perangkat lunak SOLIDWORKS, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Putaran maksimal yang mampu dicapai pada nozel berdiameter 6 mm adalah sekitar 823 RPM pada bukaan katup 45 0 dan 1585 RPM pada bukaan katup 90 0. 2. Semakin besar bukaan katup, maka debit aliran fluidanya akan semakin besar tetapi kecepatan dan tekanan fluidanya akan menurun. 3. Bilangan Reynold biasa digunakan untuk mengetahui jenis aliran fluida yang cenderung dipengaruhi oleh kecepatan fluida maupun dari besarnya diameter nozel yang digunakan. Semakin besar kecepatan fluida maupun diameter nozel yang digunakan, maka aliran tersebut cenderung bersifat turbulen. Biasanya bila jumlah bilangan Reynold yang DAFTAR PUSTAKA 1. Aneva Gunawan, Pemanfaatan Energi Terbarukan, Di akses melalui situs Internet : http://gunawananeva.wordpress.co m, 3 September 2011. dihasilkan lebih besar dari 4000, maka bisa dikatakan aliran tersebut bersifat Turbulen. Dalam proses pengujian kali ini, aliran Turbulen terjadi pada bukaan katup 90 0 dan aliran Transisi terjadi pada bukaan katup 45 0. 4. Sedangkan berdasarkan hasil simulasi dengan menggunakan perangkat lunak SOLIDWORKS, tekanan output maksimum yang diperoleh untuk diameter nozel 6 mm adalah sekitar 161866 Pa pada bukaan katup 45 0 dan 153802 Pa pada bukaan katup 90 0. Untuk tekanan output maksimum yang diperoleh untuk diameter nozel 8 mm adalah sekitar 129743 Pa pada bukaan katup 45 0 dan 81425,7 Pa pada bukaan katup 90 0. Sedangkan untuk tekanan output maksimum yang diperoleh untuk diameter nozel 10 mm adalah sekitar 108339 Pa pada bukaan katup 45 0 dan 23820,4 Pa pada bukaan katup 90 0. 2. Carolina, Pemanfaatan Tenaga Air, Di akses melalui situs internet : http://home.carolina.rr.com/microhy dro, 2 September 2011. 3. Claydon F John, Water Turbine, Di akses melalui situs Internet : http://europa.eu.int/en/comm/dg17/ hydro/layman2.pdf, 2 September 2011.
4. Fritz Dietzel, Dakso Sriyono, Turbin Pompa dan Kompresor, Penerbit Erlangga, Jakarta, 2006. 5. M. White Frank, Mekanika Fluida Edisi Kedua Jilid 1, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1986. 6. Pudjanarso, Astu dan Nursuhud Djati., Mesin Konversi Energi, Edisi Revisi, Yogyakarta : Andi, 2008. 7. Reuben M. Olso, Steven j. Wraight. Essentials of Engineering Fluid Mechanics. Harper & Row Publisher, inc, 1990. 8. RISTEK, Klasifikasi Turbin Air, Di akses melalui situs Internet : http://www.crayonpedia.org/mw, 3 September 2011. 9. Prabowo Sigit Agung, SOLIDWORKS 3D CAD, Di akses melalui situs Internet : http://ilmukomputer.org/2009/02/28/ solidworks-3d-cad/. 25 Oktober 2011. 10. Victor I, Streeter, Fluid Mechanics. McGraw-Hill, Inc. 1985. 11. Wikipedia, Spray Nozzle, Di akses melalui situs Internet : http://en.wikipedia.org/wiki/spray_n ozzle, 4 Januari 2012. 12. Wikipedia, Water Turbine Classification, Di akses melalui situs Internet : http://en.wikipedia.org/wiki/francis_t urbine, 2 September 2011.