UJI EKSPERIMENTAL TURBIN KAPLAN DENGAN 5 RUNNER BLADE DAN ANALISA PERBANDINGAN VARIASI JARAK VERTIKAL RUNNER TERHADAP SUDUT GUIDE VANE 60 0 SKRIPSI Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik DAVID HAROLD NIM. 090401047 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014
ABSTRAK Listrik merupakan salah satu jenis energi yang paling banyak diaplikasikan dalam kehidupan sehari-hari sehingga kebutuhan akan energi ini sangat tinggi. Berbagai jenis pembangkit listrik telah banyak dikembangkan. Salah satunya pembangkit listrik tenaga mikrohidro yang sangat berpotensi dikembangkan di Indonesia mengingat banyaknya sumber air yang tersedia dan dapat dimanfaatkan untuk membantu masyarakat pedesaan yang belum terjangkau PLN. Dalam tugas akhir ini di desain dan dibuat turbin kaplan dengan menggunakan satu unit pompa sentrifugal sebagai simulasi aliran air di alam. Kapasitas air (Q) sebesar 0,88 liter/detik dan head instalasi (H) sebesar 1 meter. Selanjutnya untuk mengetahui efektivitas turbin Kaplan dengan 5 runner blade maka dilakukan uji eksperimental dengan variasi jarak vertikal runner terhadap guide vane sebesar 1 cm, 3 cm, dan 5 cm. Maka setelah dilakukan pengujian didapat daya pengisian listrik yang dihasilkan oleh alternator tanpa beban pada jarak 1 cm sebesar 3,969 Watt, pada jarak 3 cm sebesar 2,405 Watt, dan pada jarak 5 cm sebesar 1,591 Watt. Data ini memperlihatkan efisiensi turbin yang paling tinggi terletak pada jarak 1 cm. Kata Kunci : Kapasitar Air, Head, Jarak Vertikal Runner Terhadap Guide Vane
ABSTRACT Electricity is one of the most widely applied energy in everyday life so that the need for energy is very high. Various types of power plants has been developed. One of these micro hydro power plant which is very likely to be developed in Indonesia considering the number of water sources available and can be used to help rural communities not reached by PLN. In this final task in the design and made kaplan turbine using a centrifugal pump unit as in the natural water flow simulation. Water capacity (Q) of 0.88 liters / sec and head installation (H) of 1 meter. Furthermore, to determine the effectiveness of Kaplan turbine with 5 runner blade then tested experimentally by variations in vertical distance runner of the guide vane by 1 cm, 3 cm and 5 cm. So after testing obtained charging power electricity generated by the alternator without load at a distance of 1 cm at 3,969 watt, at a distance of 3 cm of 2,405 Watt, and at a distance of 5 cm at 1,591 Watt. These data show that most high turbine efficiency lies at a distance of 1 cm. Keywords: Water Capacity, Head, Vertical Distance of Runnerwith The Guide Vane
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmat dan karunianya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan dan memperoleh gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik. Adapun judul skripsi yang penulis kerjakan ini adalah Uji Eksperimental Turbin Kaplan Dengan 5 Runner Blade Dan Analisa Perbandingan Variasi Jarak Vertikal Runner Terhadap Sudut Guide Vane 60 0. Dalam menyelesaikan skripsi ini, penulis banyak sekali mendapat dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini, penulis ingin menghanturkan ucapan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT sebagai dosen pembimbing yang telah banyak memberikan bimbingan kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini. 2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik. 3. Bapak/Ibu Staf Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik. 4. Abangda Sarjana,ST yang telah banyak membantu dalam pengerjaan instalasi turbin Kaplan ini. 5. David Permadi, Jannes Tampubolon, Jan Purba selaku teman satu kelompok dalam pengerjaan Turbin Kaplan. 6. Orang tua yang sangat disayangi penulis, H. Manurung dan M. Siahaan untuk perjuangan, doa dan kasih sayangnya kepada penulis. 7. Keluarga Besar Manurung dan Siahaan yang telah banyak memberikan nasehat, semangat dan materi kepada penulis selama menyelesaikan pendidikan S1.
8. Adik yang sangat disayangi penulis, Andreas Harison Manurung, Chyntia Regina Manurung dan Jonathan Perwira Manurung atas dukungan semangat dan doanya kepada penulis. 9. Teman yang sangat disayangi Anasthazya Christy Hanna Sinaga yang sangat mendukung dan memberi semangat kepada penulis. 10. Seluruh mahasiswa Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Terkhusus untuk kawan-kawan seperjuangan stambuk 2009 atas Solidarity Forevernya. Penulis menyadari masih banyak kekurangan-kekurangan di dalam skripsi ini. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun untuk penyempurnaan skripsi ini. Medan, Desember 2014 Penulis, David Harold Manurung NIM. 090401047
DAFTAR ISI ABSTRAK... ABSTRACT... KATA PENGANTAR... DAFTAR ISI... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR TABEL... DAFTAR NOTASI... i ii iii v viii x xi BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Tujuan Penelitian... 4 1.2.1 Tujuan Umum... 4 1.2.2 Tujuan Khusus... 4 1.3 Batasan Masalah... 4 1.4 Metodologi Penelitian... 5 1.5 Manfaat Penelitian... 5 1.6 Keluaran Skripsi... 6 1.7 Sistematika Penulisan... 6 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Potensi Tenaga Air... 8 2.2 Sejarah Turbin Air... 10 2.3 Klasifikasi Turbin Air... 12 2.3.1 Turbin Impuls... 12 2.3.1.1 Turbin Pelton... 12 2.3.1.2 Turbin Turgo... 13 2.3.1.3 Turbin Ossberger atau Turbin Crossflow... 13
2.3.2 Turbin Reaksi... 14 2.3.2.1 Turbin Francis... 14 2.3.2.2 Turbin Kaplan... 15 2.3.2.2.1 Prinsip Kerja Turbin Kaplan... 16 2.3.2.2.2 Komponen Utama Turbin Kaplan... 16 2.3.2.2.3 Dimensi Dasar Turbin Kaplan... 19 2.3.2.2.4 Dimensi Dasar Runner Blade... 20 2.4 Karakteristik Turbin... 21 2.5 Seleksi Awal Jenis Turbin... 22 2.6 Alternator... 24 2.7 Sabuk Datar dan Puli... 25 2.7.1 Jenis Gerakan Pada Sabuk... 26 2.7.2 Perbandingan Kecepatan Puli... 28 2.7.3 Efisiensi Puli... 28 2.8 Daya Listrik... 28 BAB III METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN 3.1 Umum... 29 3.2 Spesifikasi Turbin Kaplan... 30 3.3 Rancang Bangun Instalasi... 31 3.4 Peralatan Pengujian... 31 3.4.1 Hand Tachometer... 31 3.4.2 Clamp Meter... 32 3.4.3 Multimeter... 33 3.4.4 Turbin Alternator... 34 3.4.5 Instalasi Rangkaian Lampu... 34 3.4.6 Pompa... 35 3.5 Pelaksanaan Pengujian... 36 BAB IV ANALISA DATA DAN HASIL PENGUJIAN 4.1 Perhitungan Dimensi Dasar Turbin Kaplan... 39 4.1.1 Kapasitas Aktual dan Head Efektif Instalasi... 39 4.1.2 Dimensi Dasar Turbin Kaplan... 40
4.2 Perhitungan Efisiensi Turbin Kaplan dengan 5 Runner Blade pada Sudut Guide Vane 60 0 dan Jarak Vertikal Runner Terhadap Guide Vane Sebesar 1 cm... 44 4.2.1 Arus, Tegangan dan Putaran... 44 4.2.2 Analisa Daya dan Putaran Alternator Pemberian Beban.. 45 4.2.3 Pengujian Torsi - Putaran Berbeban... 48 4.2.4 Efisiensi Daya Turbin dan Efisiensi Daya Alternator... 49 4.2.5 Efisiensi Puli... 50 4.3 Perhitungan Efisiensi Turbin Kaplan dengan 5 Runner Blade pada Sudut Guide Vane 60 0 dan Jarak Vertikal Runner Terhadap Guide Vane Sebesar 3 cm... 50 4.3.1 Arus, Tegangan dan Putaran... 51 4.3.2 Analisa Daya dan Putaran Alternator Pemberian Beban.. 51 4.3.3 Pengujian Torsi - Putaran Berbeban... 54 4.3.4 Efisiensi Daya Turbin dan Efisiensi Daya Alternator... 55 4.3.5 Efisiensi Puli... 56 4.4 Perhitungan Efisiensi Turbin Kaplan dengan 5 Runner Blade pada Sudut Guide Vane 60 0 dan Jarak Vertikal Runner Terhadap Guide Vane Sebesar 5 cm... 56 4.4.1 Arus, Tegangan dan Putaran... 56 4.4.2 Analisa Daya dan Putaran Alternator Pemberian Beban.. 57 4.4.3 Pengujian Torsi - Putaran Berbeban... 60 4.4.4 Efisiensi Daya Turbin dan Efisiensi Daya Alternator... 61 4.4.5 Efisiensi Puli... 62 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan... 64 5.2 Saran... 65 DAFTAR PUSTAKA... xiii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Turbin Pelton... 12 Gambar 2.2 Turbin Turgo... 13 Gambar 2.3 Turbin Ossberger atau Turbin Crossflow (Turbin Michell- Banki)... 14 Gambar 2.4 Turbin Francis... 15 Gambar 2.5 Turbin Kaplan... 15 Gambar 2.6 Rumah Turbin... 16 Gambar 2.7 Guide Vane... 17 Gambar 2.8 Runner Blade... 18 Gambar 2.9 Draft Tube... 18 Gambar 2.10 Elemen Dasar Turbin Kaplan... 19 Gambar 2.11 Segitiga Kecepatan Masuk dan Keluar Ranner Blade... 20 Gambar 2.12 Grafik Perbandingan Karakteristik Turbun... 21 Gambar 2.13 Alternator... 24 Gambar 2.14 Sabuk Terbuka... 26 Gambar 2.15 Gerakan Membelit atau Melingkar pada Sabuk... 27 Gambar 2.16 Gerakan dengan Puli Pengarah... 27 Gambar 3.1 Instalasi Turbin Kaplan... 31 Gambar 3.2 Hand Tachometer... 32 Gambar 3.3 Clamp Meter... 32 Gambar 3.4 Multimeter... 34 Gambar 3.5 Alternator... 34 Gambar 3.6 Rangkaian Lampu... 35 Gambar 3.7 Pompa... 35 Gambar 4.1 Instalasi Pipa... 40 Gambar 4.2 Arah Aliran Sudu... 44 Gambar 4.3 Grafik Perubahan Daya Alternator terhadap Penambahan Beban pada Jarak Vertikal Runner 1 cm terhadap Guide Vane 60 0... 47
Gambar 4.4 Grafik Perubahan Putaran Alternator terhadap Penambahan Beban Lampu pada Jarak Vertikal Sebesar 1 cm... 47 Gambar 4.5 Grafik Torsi vs Putaran pada 5 Runner Blade Dengan Jarak 1 cm... 48 Gambar 4.6 Grafik Perubahan Daya Alternator terhadap Penambahan Beban pada Jarak Vertikal Runner 3 cm terhadap Guide Vane 60 0... 53 Gambar 4.7 Grafik Perubahan Putaran Alternator terhadap Penambahan Beban Lampu pada Jarak Vertikal Sebesar 3 cm... 53 Gambar 4.8 Grafik Torsi vs Putaran pada 5 Runner Blade Dengan Jarak 3 cm... 54 Gambar 4.9 Grafik Perubahan Daya Alternator terhadap Penambahan Beban pada Jarak Vertikal Runner 5 cm terhadap Guide Vane 60 0... 59 Gambar 4.10 Grafik Perubahan Putaran Alternator terhadap Penambahan Beban Lampu pada Jarak Vertikal Sebesar 5 cm... 59 Gambar 4.11 Grafik Torsi vs Putaran pada 5 Runner Blade Dengan Jarak 5 cm... 60 Gambar 4.12 Grafik Efisiensi vs Jarak Vertikal... 63
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Jenis-jelis Turbin Air dan Kisaran Kecepatan Spesifikasi (N s ) 23 Tabel 2.2 Perbedana Alternator dengan Generator... 25 Tabel 3.1 Jangkauan dan Akurasi Clamp Meter... 33 Tabel 4.1 Hasil Pengukuran Kapasitas Aktual Instalasi... 39 Tabel 4.2 Hasil Percobaan dan Daya Alternator pada Jarak Vertikal Sebesar 1 cm... 46 Tabel 4.3 Hasil Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban pada 5 Runner Blade dengan Jarak 1 cm... 48 Tabel 4.4 Hasil Percobaan dan Daya Alternator pada Jarak Vertikal Sebesar 3 cm... 52 Tabel 4.5 Hasil Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban pada 5 Runner Blade dengan Jarak 3 cm... 54 Tabel 4.6 Hasil Percobaan dan Daya Alternator pada Jarak Vertikal Sebesar 5 cm... 58 Tabel 4.7 Hasil Pengujian Torsi dan Putaran Berbeban pada 5 Runner Blade dengan Jarak 5 cm... 60 Tabel 4.8 Hasil Perbandingan Jarak Vertikan Terhadap Efisiensi... 63
DAFTAR NOTASI SIMBOL ARTI SATUAN A Luas Penampang m 2 A b Luas area runner blade cm 2 B Tinngi Guide Vane m D Diameter m D pt Diameter Poros Turbin m D alt Diameter Poros Altenator m d Diameter Hub m Ek Energi Kinetik kg.m 2 /s 2 Ep Energi Potensial joule g Percepatan Gravitasi m/s 2 Hd Head discharge m Hs Head suction m H eff Head Effektif m h f Head Loses Mayor m h m Head Loses Minor m I Kuat Arus ampere K Koefisien Kerugian Pipa - L Panjang Pipa m m Massa kg m pt Massa Turbin kg m alt Massa Altenator kg N s Kecepatan Spesifik rpm n Putaran rpm P Daya watt P A Daya Altenator Hasil Pengujian watt P air Daya Air watt Q Kapasitas Aliran/Debit Air m 3 /s Re Jari-jari luar runner cm
Ri Jari-jari hub cm T Waktu s V Tegangan Listrik volt v Kecepatan m/s ys Jarak pusat blade m λ Jarak Vertikal Runner m