ANALISA TEORITIS TURBIN VORTEKS DENGAN RUMAH TURBIN BERBENTUK LINGKARAN DENGAN VARIASI DIAMETER SALURAN BUANG, KETINGGIAN AIR DAN DIAMETER RUNNER SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik PETRUS JESE PATARMATUA PARDEDE 090401064 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kehadiran Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan karunia-nya penulis akhirnya dapat menyelesaikan skripsi ini dengan judul ANALISA TEORITIS TURBIN VORTEKS DENGAN RUMAH TURBIN BERBENTUK LINGKARAN DENGAN VARIASI DIAMETER LUBANG BUANG, KETINGGIAN AIR DAN DIAMETER RUNNER.Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin. Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa dan bantuan dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Oleh karena itu dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, M.T. selaku dosen pembimbing, yang dengan penuh kesabaran dan kebijaksanaan dalam memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis. 2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatra Utara. 3. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin yang telah berjasa membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah. 4. Kedua orangtua penulis, T. Pardede dan J. L. Pangaribuan yang sangat mendukung penulis, yang memberikan kasih sayang yang tak terhingga dan doa kepada penulis. 5. Saudara kandung penulis Johansen P. C. Pardede, Andreas P. G. Pardede, Daniel G. H. Pardede, Stephanie S. U. Pardede beserta seluruh keluarga kandung penulis yang tak dapat disebutkan satu per satu yang selalu menyokong, mendukung dan mendoakan penulis. 6. Rekan-rekan seperjuangan Budiman Y. Simbolon, Irwan J. Purba dan Morry K. Lumbantoruan yang telah bersama-sama dan bahu-membahu dengan penulis untuk menyelesaikan skripsi ini.
7. Adinda Dessy S. Hutagaol yang selalu mendukung, member semangat, dan menerima keluh kesah penulis baik dalam kondisi sulit maupun senang. 8. Rekan-rekan mahasiswa stambuk 2009, para abang senior dan adikadik junior semua yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis. 9. Prof. Sujate C. Wanchat dan seluruh pihak yang tak mampu penulis sebutkan satu persatu yang telah membantu dan mendoakan penulis selama proses penelitian ini. Penulis sangat menyadari bahwa tak ada gading yang tak retak, sehingga penulis menyadari bahwa karya tulis ini belum sempurna, dan penulis sangat mengharapkan dengan senang hati kritik dan saran yang membangun untuk memperbaiki skripsi ini untuk kepentingan ilmu pengetahuan. Semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Dan Akhir kata Penulis mengucapkan banyak terima kasih, Tuhan Memberkati. Medan, Oktober 2014 Petrus J.P.Pardede
ABSTRAK Penelitian ini adalah analisis perancangan secara teoritis dari sebuah bak vortex yang dirancang untuk membentuk dan memunculkan sebuah aliran vortex yang dipengaruhi oleh gravitasi. Dalam aplikasinya, kecepatan air dari aliran vortex memungkinkan untuk dimanfaatkan sebagai salah satu sumber energy alternative terbarukan. Dalam penelitian ini, penulis tertarik dengan analisa teoritis aliran vortex bebas yang terjadi dalam bak vortex, yang masih merupakan cara baru dalam membangkitkan tenaga air dalam dunia teknik tenaga air. Keuntungan dari teknologi ini adalah pembangkitan tenaga listrik oleh tenaga air yang mempunyai nilai head sangat rendah, mulai dari 0.1 sampai 0.335 meter. Penelitian ini menganalisis menggunakan teori potential vortex yang sangat mendekati fenomena vortex bebas. Hasilnya nantinya dapat diterapkan dalam pembangkit listrik tenaga mikrohidro. Penelitian ini meneliti beberapa parameter yang mempengaruhi kecepatan pusar fluida kerja, yaitu 1) Diameter lubangbuang, 2) Head vortex, dan 3) Diameter runner. Kecepatan tangensial atau kecepatan memusar fluida mempunyai distribusi sepanjang radius bak yang digunakan untuk menganalisa sudu dengan hasil optimal untuk diuji lapangan pada penelitian berikutnya. Model atau prototype ini dirancang untuk menganalisis kemampuannya untuk menghasilkan tenaga, pada akhirnya tenaga listrik. Dari hasil analisa ini didapat daya potensial air paling besar terdapat pada lubang buang 5 sebesar 12.58 Watt, daya dan efisiensi turbin terbesar juga ditunjukkan pada lubang buang 5 dan pada penggunaan runner A2 yakni 11.38 Watt dan 88.58%. Kata kunci: gravitational vortex, vortex basin, vortex strength, circulation, potential vortex, free vortex
ABSTRACT This study is the analysis of a design of a basin structure which has the ability to form a gravitational vortex stream. Such a high velocity water vortex stream can possibly used as an alternative energy resource. In this study we are interested in the formation of a water vortex stream by gravitation, which is a new technique used in the field of hydro power engineering. The advantage of this method for electrical generation is the capability of producing energy using low heads of 0.01 to 0.335 meters. This study used the potential vortex theorem that similar to free vortex phenomenon. It can be applied in a low head micro hydro power plant. The studies investigated parameters which affect the fluid swirl velocity, which include 1) Outlet diameter at the bottom centre of the basin, 2) Gavitational vortex head, and 3) Runner diameter. The tangensial velocity distribution is used to determine the suitable blade for testing. A gravitational vortex power plant model is created to investigate electrical power output. The analysis study shows highest ideal theoretical potential water power is in orifice 5 as 12.58 Watt, best power and efficiency of the turbine got in orifice 5 and by the usage of runner A2 was 11.38 Watt and 88.58%. Keywords: gravitational vortex, vortex basin, vortex strength, circulation, potential vortex, free vortex
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR TABEL... vii DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR NOTASI... xi BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Tujuan Penelitian... 3 1.3 Manfaat Penelitian... 3 1.4 Batasan Masalah... 3 1.5 Metodologi Penelitian... 4 1.6 Sistematika Penulisan... 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Vortex... 6 2.2 Klasifikasi Vortex... 7 2.2.1 Vortex Paksa / Berotasi... 7 2.2.2 Vortex Bebas / TakBerotasi... 9 2.3 TurbinAir... 17 2.3.1 Klasifikasi Turbin Air... 18 2.3.2 Turbin Reaksi... 19 2.3.3 Turbin Impuls... 21 2.4 Turbin Vortex... 26 2.4.1 Perhitungan Perancangan Teoritis Turbin Vortex... 27 2.4.2 Prinsip Kerja Turbin Vortex... 28 2.4.3 Aplikasi Turbin Vortex... 33 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian... 34
3.2 Perancangan Instalasi... 34 3.3 Proses Analisa Data... 35 BAB IV HASIL DAN ANALISA DATA 4.1 Karakteristik Aliran Vortex Kuat... 38 4.2 Sirkulasi dan Konstanta Vortex... 40 4.3 Distribusi Kecepatan Tangensial pada Permukaan Bebas... 43 4.4 Prediksi Ketinggian (Z) Permukaan Bebas di Sepanjang Radius... 47 4.4.1 Lubang Buang 1... 48 4.4.2 Lubang Buang 2... 54 4.4.3 Lubang Buang 3... 60 4.4.4 Lubang Buang 4... 66 4.4.5 Lubang Buang 5... 72 4.5 Analisa Momentum Sudut dan Segitiga Kecepatan Sudu... 78 4.5.1 Analisa Momentum Sudut... 79 4.5.2 Segitiga Kecepatan Sudu... 82 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan... 89 5.2 Saran... 92 DAFTAR PUSTAKA... xii
DAFTAR TABEL Tabel 4.1 Variasi Head Vortex Lubang Buang 1... 37 Tabel 4.2 Variasi Head Vortex Lubang Buang 2... 37 Tabel 4.3 Variasi Head Vortex Lubang Buang 3... 37 Tabel 4.4 Variasi Head Vortex Lubang Buang 4... 38 Tabel 4.5 Variasi Head Vortex Lubang Buang 5... 38 Tabel 4.6 Tabel Variasi Sirkulasi dan Konstanta C LB1... 39 Tabel 4.7 Tabel Variasi Sirkulasi dan Konstanta C LB2... 40 Tabel 4.8 Tabel Variasi Sirkulasi dan Konstanta C LB3... 40 Tabel 4.9 Tabel Variasi Sirkulasi dan Konstanta C LB4... 40 Tabel 4.10 Tabel Variasi Sirkulasi dan Konstanta C LB5... 41 Tabel 4.11 Tabel Variasi Kecepatan Tangensial pada LB1... 41 Tabel 4.12 Tabel Variasi Kecepatan Tangensial pada LB2... 42 Tabel 4.13 Tabel Variasi Kecepatan Tangensial pada LB3... 43 Tabel 4.14 Tabel Variasi Kecepatan Tangensial pada LB4... 44 Tabel 4.15 Tabel Variasi Kecepatan Tangensial pada LB5... 44 Tabel 4.16 Distribusi Kecepatan Paling Tinggi dari Setiap Lubang Buang... 76 Tabel 4.17 Variasi Ketinggian Head Vortex Berdasarkan Ketinggian Air Masuk LubangBuang 1... 77 Tabel 4.18 Variasi Ketinggian Head Vortex Berdasarkan Ketinggian Air Masuk Lubang Buang 2... 78 Tabel 4.19 Variasi Ketinggian Head Vortex Berdasarkan Ketinggian Air Masuk Lubang Buang 3... 78 Tabel 4.20 Variasi Ketinggian Head Vortex Berdasarkan Ketinggian Air Masuk Lubang Buang 4... 79 Tabel 4.21 Variasi Ketinggian Head Vortex Berdasarkan Ketinggian Air Masuk Lubang Buang 5... 79 Tabel 4.22 Analisa Momentum Sudut Lubang Buang 1... 80 Tabel 4.23 Analisa Momentum Sudut Lubang Buang 2... 81 Tabel 4.24 Analisa Momentum Sudut Lubang Buang 3... 81 Tabel 4.25 Analisa Momentum Sudut Lubang Buang 4... 81
Tabel 4.26 Analisa Momentum Sudut Lubang Buang 5... 82 Tabel 4.27 Tabel Kerja Poros dan Kecepatan Runner A1... 84 Tabel 4.28 Tabel Kerja Poros dan Kecepatan Runner A2... 84 Tabel 4.29 Tabel Kerja Poros dan Kecepatan Runner A3... 85 Tabel 4.30 Tabel Kerja Poros dan Kecepatan Runner B... 85 Tabel 4.31 Tabel Daya Teoritis Air Setiap Lubang Buang... 86 Tabel 4.32 Tabel Efisiensi Tiap Runner di Lubang Buang 1... 86 Tabel 4.33 Tabel Efisiensi Tiap Runner di Lubang Buang 2... 87 Tabel 4.34 Tabel Efisiensi Tiap Runner di Lubang Buang 3... 87 Tabel 4.35 Tabel Efisiensi Tiap Runner di Lubang Buang 4... 87 Tabel 4.36 Tabel Efisiensi Tiap Runner di Lubang Buang 5... 87
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Aliran Vortex... 6 Gambar 2.2 Klasifikasi vortex berdasarkankekuatannya... 7 Gambar2.3 The Cangkir yang di aduk adalah sebuah Aplikasi Forced vortex.. 8 Gambar2.4 Rotational (rigid-body) vortex... 8 Gambar2.5 Vortex bebas... 9 Gambar 2.6 Notasi untuk menentukan sirkulasi pada kurva tertutup S... 13 Gambar2.7 KlasifikasiTurbin air... 19 Gambar2.8 Turbin Francis... 20 Gambar2.9 Turbin Kaplan... 21 Gambar2.10 TurbinPelton... 22 Gambar 2.13 Tubin Turgo... 23 Gambar 2.14 Turbin Crossflow... 23 Gambar 2.15 Turbin Vortex... 24 Gambar2.16 Instalasi Turbin Vortex Pada Sungai... 28 Gambar 2.17 Bentuk permukan Pusaran Air secara matematik... 29 Gambar 2.19 Efisiensi Hidrolik Turbin Vortex... 30 Gambar 3.1 Instalasi Turbin Vortex... 35 Gambar 4.1 Diagram Alir Analisis Turbin Vorteks... 36 Gambar 4.2 Grafik Variasi DistribusiKecepatanTangensialpada LB1... 42 Gambar 4.3 Grafik Variasi Distribusi Kecepatan Tangensial pada LB2... 43 Gambar 4.4 Grafik Variasi Distribusi Kecepatan Tangensial pada LB3... 44 Gambar 4.5 Grafik Variasi Distribusi Kecepatan Tangensial pada LB4... 45 Gambar 4.6 Grafik Variasi Distribusi Kecepatan Tangensial pada LB5... 46 Gambar 4.7 Grafik Variasi DistribusiZ pada LB1H1... 47 Gambar 4.8 Grafik Variasi DistribusiZ pada LB1H2... 48 Gambar 4.9 Grafik Variasi DistribusiZ pada LB1H3... 49 Gambar4.10 Grafik Variasi Distribusi Z pada LB1H4... 50 Gambar4.11 Grafik Variasi Distribusi Z pada LB1H5... 51 Gambar4.12 Grafik Variasi Distribusi Z pada LB1H6... 52 Gambar4.13 Grafik Variasi Distribusi Z pada LB2H1... 53
Gambar4.14 Grafik Variasi Distribusi Z pada LB2H2... 54 Gambar4.15 Grafik Variasi Distribusi Z pada LB2H3... 55 Gambar4.16 Grafik Variasi Distribusi Z pada LB2H4... 56 Gambar4.17 Grafik Variasi Distribusi Z pada LB2H5... 57 Gambar4.18 Grafik Variasi Distribusi Z pada LB2H6... 58 Gambar4.19 Grafik Variasi Distribusi Z pada LB3H1... 59 Gambar4.20 Grafik Variasi Distribusi Z pada LB3H2... 60 Gambar4.21 Grafik Variasi Distribusi Z pada LB3H3... 61 Gambar4.22 Grafik Variasi Distribusi Z pada LB3H4... 62 Gambar4.23 Grafik Variasi Distribusi Z pada LB3H5... 63 Gambar4.24 Grafik Variasi Distribusi Z pada LB3H6... 64 Gambar4.25 Grafik Variasi Distribusi Z pada LB4H1... 65 Gambar4.26 Grafik Variasi Distribusi Z pada LB4H2... 66 Gambar4.27 Grafik Variasi Distribusi Z pada LB4H3... 67 Gambar4.28 Grafik Variasi Distribusi Z pada LB4H4... 68 Gambar4.29 Grafik Variasi Distribusi Z pada LB4H5... 69 Gambar4.30 Grafik Variasi Distribusi Z pada LB4H6... 70 Gambar4.31 Grafik Variasi Distribusi Z pada LB5H1... 71 Gambar4.32 Grafik Variasi Distribusi Z pada LB5H2... 72 Gambar4.33 Grafik Variasi Distribusi Z pada LB5H3... 73 Gambar4.34 Grafik VariasiDistribusi Z pada LB5H4... 74 Gambar4.35 Grafik VariasiDistribusi Z pada LB5H5... 75 Gambar4.36 Grafik VariasiDistribusi Z pada LB5H6... 77 Gambar4.37 Runner A... 77 Gambar4.38 Runner B... 77 Gambar4.39 Skema Segitiga Kecepatan yang Bekerja pada Sudu Turbin... 83
DAFTAR NOTASI Γ = Sirkulasi [m 2 /s] = kecepatan tangensial [m/s] C = konstantauntuk free vortex [m 2 /s], konstantakekuatan vortex bebas. ω = konstantauntuk forced vortex [s -1 ] r H Q = jari - jari = Head/Ketinggian Air [m] = Debit[m 3 /s] = Daya air [Watt] = Aliran massa [kg/s] = Kecepatan Air [m/s] = Energi kinetik [Joule] = Kecepatan Sudut [rev/s] = Jari jari [m] = kecepatan aliran[m/s] = massa jenis [kg/m 3 ] π = phi (22/7 atau 3,14) ω = kecepatansudut (rad/s)