RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN TURBIN PELTON MINI BERTEKANAN 7 BAR DENGAN DIAMETER RODA TURBIN 68 MM DAN JUMLAH SUDU 12 SKRIPSI Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik DONALD SUPRI MANIK (090421035) PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2012
ABSTRAK Pada era globalisasi saat ini, setiap negara maju dan berkembang sangat bergantung pada energi listrik berbahan bakar fosil seperti minyak bumi, gas alam dan batu bara yang terbatas jumlahnya ( sumber daya alam yang tidak dapat diperbarukan ) yang mana sumber daya alam tersebut yang lama kelamaan akan habis tetapi permintaan sumber energi listrik dari tahun ke tahun terus mengalami peningkatan. Oleh karena itu sudah saatnya untuk memamfaatkan sumber energi listrik yang terbarukan dan yang ramah lingkungan ( tidak menimbulkan polusi ) sebagai sumber energi alternatif. Berdasarkan pemikiran tersebut maka dilakukan rancang bangun Turbin Pelton mini bertekanan 7 bar dengan diameter roda turbin 68 mm dan jumlah sudu 12. Turbin ini diuji dengan variasi diameter puli (12 mm, 34 mm, dan 51 mm) dengan beban lampu 5,22 watt pada tegangan 12 V. Udara yang bertekanan digunakan sebagai pengganti tinggi jatuh air (head = 70 m) yang mendorong air dimana udara tidak bercampur dengan air, tetapi udara hanya memberikan tekanan pada air sehingga air bertekanan mendorong sudu sudu turbin dan pada akhirnya akan menghasilkan listrik setelah dihubungkan ke generator. Adapun tujuan dari rancangan adalah untuk mengetahui dimensi rancangan Turbin Pelton yang menghasilkan energi listrik. Dari hasil pengujian, bahwa daya maksimum yang dihasilkan adalah 5,22 watt pada tegangan 12 V dengan putaran di turbin 2017 dan di generator 4576 dan ukuran diameter puli pada turbin 34 mm dan pada generator 12 mm. Kata kunci : Perancangan Turbin Pelton, Head, Daya, Puli.
KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur Penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan hikmat, pengetahuan dan karunia-nya sehingga Penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini dengan baik. Adapun judul dari tugas sarjana ini adalah Rancang Bangun Dan Pengujian Turbin Pelton Mini Bertekanan 7 Bar Dengan Diameter Roda Turbin 68 mm Dan Jumlah Sudu 12 Tugas sarjana ini merupakan salah satu syarat bagi setiap mahasiswa Teknik Mesin untuk menyelesaikan studi pada jenjang Strata Satu (S1) di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik. Dalam penulisan skripsi ini Penulis menghadapi masalah dalam hal instalasi dan pembuatan turbin ini. Namun, semangat team work yang tidak pernah surut membuat penulisan skripsi ini pun dapat diselesaikan. Penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada pihak-pihak yang telah banyak membantu dalam penyelesaian tugas sarjana ini, terutama kepada : 1. Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri selaku ketua Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik. 2. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, M.T selaku dosen pembimbing yang senantiasa mendampingi Penulis dan yang telah banyak meluangkan waktu, tenaga serta pemikiran dalam penyelesaian tugas sarjana ini. 3. Orangtua dan Keluarga tercinta Penulis yang senantiasa mendampingi (sejak awal perkuliahan), memberikan semangat dan dukungan, baik berupa doa dan materil demi terselesainya penulisan tugas sarjana ini.
4. Segenap staff pengajar, staff administrasi dan asisten Laboratorium Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik yang telah banyak membantu dalam penyelesaian tugas sarjana ini. 5. Okto Silalahi dan Dadi selaku Turbine Group yang senantiasa saling berdampingan dalam memberi semangat serta dukungan dari awal hingga selesainya penulisan tugas sarjana ini. 6. Rekan-rekan seperjuangan, khususnya Stambuk 2009 ekstensi yang telah banyak membantu memberikan dukungan kepada Penulis dari awal perkuliahan hingga selesainya tugas sarjana ini. Akhir kata, Penulis berharap agar tugas sarjana ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Terima kasih. Medan, Mei 2012 Penulis, Donald Supri Manik
DAFTAR ISI Hal. ABSTRAK.... i KATA PENGANTAR... ii DAFTAR ISI... iii DAFTAR TABEL DAN GRAFIK.... vi DAFTAR GAMBAR... vii DAFTAR SIMBOL... ix BAB I BAB II PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang...1 1.2 Maksud dan Tujuan Perancangan...4 1.3 Batasan Masalah...4 1.4 Sistematika Penulisan...5 LANDASAN TEORI 2.1 Tinjauan Umum Turbin Air...6 2.2 Klasifikasi Turbin Air...8 2.2.1 Turbin Reaksi...8 2.2.2 Turbin Impuls...10 2.3 Perbandingan Karakteristik Turbin Air...12 2.4 Tekanan Kerja...14 2.5 Dasar Pemilihan Turbin...16 2.5.1 Perencanaan Saluran Udara dan Air...16 2.5.2 Perencanaan Nosel...17 2.5.3 Perencanaan Turbin...17 2.5.4 Perencanaan Poros...23 2.5.5 Perencanaan Bantalan...29 2.5.6 Perencanaan Sekrup...33 2.5.7 Perencanaan Puli dan Sabuk...36 2.5.8 Perencanaan Generator...43
BAB III METODOLOGI PERANCANGAN DAN PENGUJIAN 3.1 Konsep Dasar Perencanaan...49 3.1.1 Perencanaan Saluran Udara dan Air...49 3.1.2 Perencanaan Nosel...51 3.1.3 Perencanaan Turbin...51 3.1.4 Perencanaan Poros...55 3.1.5 Perencanaan Bantalan...58 3.1.6 Perencanaan Sekrup...61 3.1.7 Perencanaan Puli dan Sabuk...62 3.1.8 Perencanaan Generator...67 3.2 Pelaksanaan Perancangan Dan Pengujian...68 3.2.1 Waktu dan Tempat...68 3.2.2 Pengamatan dan Tahap Pengujian...68 3.3 Diagram Alir Pengujian...70 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 PerformansiTurbin...71 4.1.1 Daya hidrolis...73 4.1.2 Daya listrik...73 4.1.3 Daya Turbin...73 4.1.4 Effisiensi Turbin...73 4.2 Analisa Momen Torsi...74 4.2.1 Daya Rencana...74 4.2.2 Momen Rencana...74 4.2.3 Momen Torsi pada Puli Penggerak...74 4.2.4 Momen Torsi pada Puli yang Digerakkan...75 4.3 Grafik Hasil Pengujian...77 4.3.1 Hubungan antara Putaran Generator dan Tegangan...77 4.3.2 Hubungan antara Putaran Generator dan Effisiensi Turbin...78
4.3.3 Hubungan antara Putaran dan Momen Torsi Puli...79 4.3.4 Hubungan antara Daya Listrik dan dan Intensitas Cahaya...80 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan...81 5.1.1 Perhitungan Perancangan Turbin Pelton...81 5.1.2 Analisa Hasil Pengujian...83 5.2 Saran...83 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR TABEL DAN GRAFIK Hal. A. TABEL Tabel 2.1 Penggolongan Berdasarkan Arah Aliran...13 Tabel 2.2 Putaran Spesifik Turbin...21 Tabel 2.3 Faktor-faktor Koreksi Daya (f c )...25 Tabel 4.1 Data hasil Pengujian...71 Tabel 4.2 Data hasil Perhitungan...72 Tabel 4.3. Data hasil perhitungan untuk momen torsi puli... 76 B. GRAFIK Grafik 4.1 Hubungan Antara Putaran Generator dan Tegangan...77 Grafik 4.2 Hubungan Antara Putaran Generator dan Effisiensi Turbin...78 Garfik 4.3 Hubungan Antara Putaran dan Momen Torsi Puli...79 Grafik 4.4 Hubungan Antara Intensitas Cahaya dan Daya Listrik...80
DAFTAR GAMBAR Hal. Gambar 2.1 Kincir Air...6 Gambar 2.2 Turbin Francis...9 Gambar 2.3 Turbin Kaplan dengan sudu jalan yang dapat diatur...10 Gambar 2.4 Turbin Pelton...11 Gambar 2.5 Perbandingan karakteristik turbin...12 Gambar 2.6 Perbedaan tekanan pada dua titik pengukuran...14 Gambar 2.7 Selang saluran udara...16 Gambar 2.8 Selang saluran air...16 Gambar 2.9 Nosel...17 Gambar 2.10 Rumah turbin pelton...18 Gambar 2.11 Sudu turbin...19 Gambar 2.12 Diagram vektor kecepatan pada sisi masuk dan sisi keluar...20 Gambar 2.13 Poros turbin...23 Gambar 2.14 Pelumasan bantalan luncur...30 Gambar 2.15 Macam-macam bantalan peluru...31 Gambar 2.16 Sekrup dengan bermacam macam bentuk kepala serta teknik pemutarnya...33 Gambar 2.17 Sekrup penetap...34 Gambar 2.18 Variasi diameter ukuran puli...36 Gambar 2.19 Berbagai macam sabuk transmisi daya...39 Gambar 2.20 Tipe, ukuran dan pemakaian pada sabuk gilir...40 Gambar 2.21 Transmisi puli dan sabuk...43 Gambar 2.22 Generator DC...45 Gambar 2.23 Generator AC...45 Gambar 2.24 Dinamo sepeda...47 Gambar 3.1 (a) Tabung pengisian untuk udara...50 (b) Tabung pengisian untuk air...50 Gambar 3.2 (a) Selang saluran untuk udara...50
(b) Selang saluran untuk air...50 Gambar 3.3 Ukuran diameter nosel...51 Gambar 3.4 Dimensi sudu...53 Gambar 3.5 Diagram vektor kecepatan pada sisi masuk dan sisi keluar sudu...53 Gambar 3.6 Diagram benda bebas momen lentur...56 Gambar 3.7 Perencanaan poros...57 Gambar 3.8 Komponen bantalan gelinding...60 Gambar 3.9 Sekrup...62 Gambar 3.10 Diameter puli berukuran 12 mm...62 Gambar 3.11 Diameter puli berukuran 34 mm...63 Gambar 3.12 Diameter puli berukuran 51 mm...64 Gambar 3.13 Sabuk yang digunakan adalah sabuk gilir (timing belt)...66 Gambar 3.14 Transmisi puli dan sabuk...67 Gambar 3.15 Dinamo sepeda adalah generator yang digunakan pada pengujian...67
DAFTAR SIMBOL SIMBOL ARTI SATUAN Q Kapasitas Aliran/Debit Air m 3 /detik A Luas Penampang m 2 D Diameter m P Tekanan bar h Head m F Gaya Newton v Kecepatan m/detik g Percepatan Gravitasi m/detik 2 I Kuat Arus ampere n Putaran rpm P t Daya Turbin Watt P a Daya Air Watt V Tegangan Listrik Volt η Efisiensi % ρ Massa Jenis kg/m 3