PERANCANGAN TURBIN PROPELLER SUMBU HORIZONTAL DENGAN HEAD 13 m DAN DEBIT 0,8 m 3 /s TUGAS AKHIR BIDANG KONVERSI ENERGI Diajukan kepada Universitas Muhammadiyah Malang Untuk Memenuhi Persyaratan Akademik Dalam Menyelesaikan Program Sarjana Teknik (S1) Oleh : ANGGA YOGA PRASETYO 201010120311103 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG 2015 i
ii
iii
iv
v
Yang bertandatangan dibawah ini : LEMBAR SURAT PERNYATAAN Nama : Angga Yoga Prasetyo NIM : 201010120311103 Tempat / Tanggal Lahir : Madiun, 31 Mei 1992 Jurusan Fakultas Instansi : Teknik Mesin : Teknik : Universitas Muhammadiyah Malang Dengan ini menyatakan dengan sebenar - benarnya bahwa : Sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul Perancangan Turbin Propeller Sumbu Horizontal Dengan Head 13 m Dan Debit 0,8 m 3 /s yang diajukan untuk memperoleh gelar sarjana S1 pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Malang, sejauh yang saya ketahui bukan merupakan duplikasi ( PLAGIASI ) dari skripsi yang sudah dipublikasikan dan / atau pernah dipakai untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di lingkungan Universitas Muhammadiyah Malang atau instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya saya kutipan dan daftar pustaka sebagaimana mestinya. Demikian surat pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya untuk digunakan sebagaimana mestinya. Malang, 24 Januari 2015 Yang Menyatakan, Angga Yoga Prasetyo vi
ABSTRAK Pada dasarnya Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) terdiri dari sebuah propeller (baling-baling) bentuknya sama dengan baling-baling kapal laut, yang dipasang pada tabung setelah pipa pesat. Keunggulan PLTMH terletak pada biaya yang kompetitif dan teknologi yang sederhana sehingga dapat dikelola atau dioperasikan oleh masyarakat setempat. Hal ini merupakan peluang bagus untuk pengembangan energi listrik di daerah terpencil yang belum terjangkau energi listrik, dan memanfaatkan potensi energi setempat yang bersifat terbarukan. Dalam mengerjakan PLTMH ini terlebih dahulu menyusun metodeologi untuk mengatur urutan dalam perancangan. Metodeologi itu terdiri dari pengambilan data, perhitungan daya turbin, pemilihan tipe turbin, perhitungan komponen turbin dan pengerjaan gambar perancangan. Turbin propeller ini mempunyai kapasitas aliran (Q) 0,8 m 3 /s, tinggi jatuh (H) 13 m, Potensi ini tergolong dalam PLTMH rendah. Pada tugas akhir ini telah dirancang dan di buat satu unit turbin propeller untuk PLTMH dengan head rendah. Dari hasil perancangan diperoleh daya maksium keluaran turbin mencapai KW. Metode perancangan turbin propeller head rendah dibahas dalam skripsi ini. Kata kunci : Turbin Propeller, Pompa, Generator ABSTRACT Basically micro hydro power plant (MHP) consists of a propeller (propeller) with the same shape with a ship propeller, which is mounted on the tube after the rapidly pipe. Turbine shaft connect the out of the tube. The advantage of MHPis placed on low cost and simply technology until it can manage and operated by society on that palce. This is a good opportunity to develop electricity energi in small village which not yet reach by government and can be utilize potential renewable energy. In doing this MHP, the first methdology is preparing to set the order in the design. That methodology consists of data collection, calculation of turbine power, the selection of the type of turbine, turbine component calculation and image processing design Propeller turbine has a capacity of flow (Q) of 0.8 m3 / s, high falls (H) 13 m, the potential is relatively low in the MHP. In this final project has been designed and created a propeller turbine unit for MHP with head low. From the results obtained by the design of maximum power output of the turbine reaches 51,012 KW. This method of designing a low head turbine propeller discussed in this thesis. Keywords : Turbine Propeller, Pump, Generator vii
KATA PENGANTAR Dengan memanjatkan puji dan syukur kepada kehadirat Allah SWT yang mana hanya atas limpahan rahmat, taufik, hidayah serta inayahnya laporan tugas akhir dengan judul Perancangan Turbin Propeller Sumbu Horizontal Dengan Head 13 m Dan Debit 0,8 m 3 /s ini akhirnya dapat terselesaikan. Seiring penyusunan skripsi ini, terdapat hambatan dan rintangan yang dihadapi, namun berkat bantuan dari semua pihak segala kesulitan tersebut terasa ringan dan dapat teratasi. Oleh sebab itu sepatutnya saya ucapkan banyak terima kasih atas jasa baik yang selama ini telah diterima, baik nasehat, petunjuk, ide, saran, serta bimbingan berupa apapun sehingga penyusun dapat menyelesaikan skripsi ini. Ungkapan terima kasih tersebut disampaikan kepada : 1. Kedua orang tua yang selalu memberikan bantuan materiil maupun non materiil, mendo akan, mengingatkan akan pesan - pesannya yang tak akan terlupakan. 2. Bapak Ir. Ali Mokhtar, MT Selaku Dosen Pembimbing I yang telah memberikan bimbingan serta arahan selama penyusunan skripsi ini dilakukan. 3. Bapak Ir. Heri Mujayin Kholik, MT Selaku Dosen Pembimbing II yang telah memberikan masukan ide, serta saran dan cara-cara penulisan sehingga terselesaikannya skripsi ini. 4. Bapak Ir. Daryono, MT. Selaku ketua jurusan teknik mesin UMM. 5. Bapak Budiono, SSi., MT. Selaku sekertaris jurusan teknik mesin UMM. 6. Bapak / Ibu Dosen yang telah bersedia memberikan bantuan berupa bimbingan teoritis secara langsung mau pun tidak langsung. viii
7. Teman teman sebimbingan, teman-teman seangkatan Teknik Mesin 2010 A, B, C dan D serta kepada seseorang yang selalu mendampingi saya dan selalu memberi semangat dalam proses pengerjaan skripsi ini. 8. Serta semua pihak yang belum tersebutkan, terima kasih banyak atas bantuan kalian semuannya. Dalam penyusunan skripsi ini tentunya terdapat kekurangan yang tidak terbahas. Oleh sebab itu segala kritik dan saran yang bersifat membangun akan sangat diharapkan untuk pengembangan teknologi terkait. Semoga ALLAH SWT memberikan sifat Rahim Nya kepada semua pihak yang tersebut diatas dan penyusun berharap semoga skripsi ini bermanfaat bagi penyusun dan pembaca. Malang, 24 Januari 2015 Angga Yoga Prasetyo ix
DAFTAR ISI COVER... POSTER... LEMBARAN PENGESAHAN SKRIPSI... LEMBARAN ASISTENSI TUGAS AKHIR PEMBIMBING I... LEMBARAN ASISTENSI TUGAS AKHIR PEMBIMBING II... LEMBARAN PERYATAAN... ABSTRAK... KATA PENGANTAR... DAFTAR ISI... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR TABEL... i ii iii iv v vi vii viii x xiv xv BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1. Latar Belakang... 1 1.2. Rumusan Masalah... 3 1.3. Tujuan Perancangan... 3 1.4. Manfaat Perancangan... 3 1.5.Batasan Masalah... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 4 2.1. Pengertian dan Manfaat Turbin Propeller... 4 2.2. Jenis Jenis Turbin Air... 7 2.2.1. Turbin Kaplan & Propeller... 8 x
2.2.2. Turbin Francis... 8 2.2.3. Turbin Pelton... 9 2.2.4. Turbin Turgo... 10 2.2.5. Turbin Cross-Flow... 11 2.3. Prinsip Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH)... 14 2.4. Komponen-Komponen Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) 14 2.4.1. Bendungan (Weir) dan Intake... 14 2.4.2. Bak Pengendap (Settling Basin)... 15 2.4.3. Saluran Pembawa (Headrace)... 15 2.4.4. Headtank (Bak Penenang)... 15 2.4.5. Pipa Pesat (Penstock)... 16 2.4.6. Turbin Air... 17 2.4.7. Generator... 19 2.4.8. Rumah Pembangkit... 20 2.4.9. Curat (Nozzle)... 21 2.5. Kriteria Pemilihan Jenis Turbin... 21 2.5.1. Berdasarkan Kecepatan Spesifik (Ns)... 23 2.5.2. Berdasarkan Head dan Debit... 24 2.5.3. Perencanaan pipa pesat (penstock)... 28 2.5.4. Berdasarnya Nilai Efisiensinya... 31 2.5.5. Daya Yang Dihasilkan Turbin... 32 xi
BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 33 3.1. Tinjauan Umum... 33 3.2. Pengumpulan Data Teknis... 33 3.3. Langkah Langkah Perancangan Turbin Propeller... 34 3.4. Diagram Alir Perencanaan PLTMH... 36 BAB IV PERHITUNGAN PERANCANGAN... 41 4.1. Perhitungan Kasar Potensi Energi Air dan LIstrik... 41 4.2. Pemilihan Jenis Turbin Air... 44 4.3. Pipa Pesat ( Penstock )... 44 4.3.1. Perencanaan Diameter Pipa Pesat... 44 4.3.2. Perencanaan Tebal Pipa Pesat... 45 4.3.3. Perencanaan Posisi Pengambilan... 46 4.3.4. Tegangan yang Terjadi Pada Pipa Pesat... 48 4.4. Desain Runner...... 53 4.5. Perancangan Guide Vane...... 57 4.6. Poros Utama... 61 4.7. Pemilihan Jenis Bearing... 64 4.8. Pasak... 68 4.9. Bantalan... 70 BAB V KESIMPULAN... 72 5.1 Kesimpulan... 72 5.2 Saran... 74 xii
DAFTAR PUSTAKA... 75 LAMPIRAN... 77 xiii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 : Pembangkit Listrik Mikrohidro... 5 Gambar 2.2 : Turbin Kaplan... 8 Gambar 2.3 : Turbin Francis... 9 Gambar 2.4 : Turbin Pelton... 10 Gambar 2.5 : Turbin Turgo... 11 Gambar 2.6 : Dua Tipe Turbin Cross-Flow... 13 Gambar 2.7 : Turbin Cross-Flow... 13 Gambar 2.8 : Rumah Pembangkit dan Pondasinya... 20 Gambar 2.9 : Pipa Pesat dan Tekanannya... 21 Gambar 2.10 : Tingkat Head Sumber Air... 22 Gambar 2.11 : Grafik Pemilihan Pengoperasian Jenis Turbin Berdasarkan Head dan Flow... 28 Gambar 2.12 : Grafik Effisiensi Beberapa Turbin Dengan Pengurangan Debit Sebagai Variabel... 31 Gambar 3.1 : Diagram Alir Perancangan PLTMH... 36 Gambar 4.1 : Pemilihan Jenis Turbin... 42 Gambar 4.2 : Segitiga Kecepatan Pada Runner dan Guide Vane... 55 Gambar 4.3 : Macam Macam Pasak... 68 Gambar 4.4 : Macam Macam Bantalan Gelinding... 71 xiv
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 : Pembangkit Listrik Berdasarkan Daya... 7 Tabel 2.2 : Jenis Turbin Untuk PLTMH... 19 Tabel 2.3 : Kecepatan Spesifik Turbin Konvensional... 24 Tabel 2.4 : Aplikasi Penggunaan Turbin Berdasarkan Head... 27 Tabel 2.5 : Materials Used In Pressure Pipes... 29 Tabel 4.1 : Turbin Reaksi... 43 Tabel 4.2 : Materials Used In Preasure Pipes... 44 Tabel 4.3 : Jumlah sudu Pada Turbin... 54 Tabel 4.4 : Beberapa Nomor Bantalan Standart... 64 Tabel 4.5 : Standart Pasak... 69 xv
DAFTAR PUSTAKA A Harvey & A Brown, Micro-hydro Design Manual, ITDG Publishing, 1992. Arthur Williams, Pumps as Turbines - A users guide, ITDG Publishing, 1995. Deutschman, Aaron D., Michels, Walter J. and Wilson, Charles E. Machine Design theory and practice. Dietzel, Fritz. 1996. Turbin,Pompa dan Kompressor. Jakarta: Erlangga. El-Wakil, M.M, Powerplant Technology, McGraw-Hill Jeremy Thake, The Micro-hydro Pelton Turbine Manual: Design, Manufacture and Installation for Small-scale Hydropower, ITDG Publishing, 2000. Nechleba, Miroslav. 1957. Hydraulic Turbine Their Design and Equipment. Czeckoslovakia: Artia Pragu. P Fraenkel, O Paish, V Bokalders, A Harvey & A Brown,Micro-hydro power: A guide for development workers, ITDG Publishing, IT Power, Stockholm Environment Institute, 1991. Paryatmo, Wibowo.2002. Turbin Air. Jakarta: Graha Ilmu Sularso. Suga, Kiyokatsu.1991. Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin 10th edition. Jakarta : PT. Pradnya Paramita www.matweb.com.2009.mechanicalproperties.(http://www.matweb.com/m echanicalproperties): 1 Juli 2009 www.chinaeastwell.com/enchinaeastwell/ecpxl_to.asp?id=54 www.owlnet.rice.edu/~mech401/shigley8th%20gears%20chp13.doc xvi