UJI PERFORMANSI TURBIN VORTEX MENGGUNAKAN VARIASI DIMENSI SUDU 2 DAN 3 DAN LUAS SALURAN BUANG SERTA KETINGGIAN DARI DASAR CASING SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik FERDY J. MARPAUNG NIM. 080401096 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013
ABSTRAK Turbin vortex adalah turbin yang memanfaatkan pusaran air sebagai penggerak sudu turbin dengan head yang rendah dan bisa digunakan pada aliran sungai.pada penelitian ini digunakan 2 dimensi sudu yang berbeda dengan bentuk casing lingkaran dan memiliki 3 variasi saluran buang dan ketinggian poros dari dasar casing.penelitian ini dilakukan dengan memanfaatkan pompa sebagai sirkulator air dan menggunakan talang sebagai saluran masuk rumah turbin.langkah-langkah yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi perancangan, pembuatan turbin vortex, dan pengujian torsi turbin.hasil penelitian menunjukkan bahwa sudu 3,yaitu dengan dimensi tinggi 78,3 cm dan lebar 13,5 cm memiliki efisiensi lebih tinggi dibandingkan dengan sudu yang lainnya dengan menggunakan diameter saluran buang 7cm ketinggian 0,1 cm dari dasar casing. Kata kunci : Turbin vortex,variasi dimensi sudu,variasi saluran buang,variasi ketinggian dari dasar casing
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kehadiran Tuhan Yang Maha Esa karena atas berkat dan karunia-nya penulis akhirnya dapat menyelesaikan skripsi ini dengan judul UJI PERFORMANSI TURBIN VORTEX MENGGUNAKAN VARIASI DIMENSI SUDU 2 DAN 3 DAN LUAS SALURAN BUANG SERTA KETINGGIAN DARI DASAR CASING. Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan pendidikan Strata-1 ( S1 ) pada Departemen Teknik Mesin,Fakultas Teknik,. Dalam menyelesaikan skripsi ini dipenuhi kisah-kisah yang penuh perjuangan, semangat dan duka yang membuat penulis terkadang merasa stress.namun berkat dorongan semangat,bantuan,dan doa akhirnya penulis dapat menyeleaikan skripsi ini.oleh karena itu dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. Bapak M.Syahril Gultom MT selaku dosen pembimbing,yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis. 2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin. 3. Bapak Ir.A.Halim Nasution,MSc selaku dosen pembanding yang memberikan masukan untuk kesempurnaan skripsi ini. 4. Bapak Drs.A.Zulkifli Lubis,MSc selaku dosen pembanding yang memberikan masukan untuk kesempurnaan skripsi ini. 5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin yang telah berjasa membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama kuliah. 6. Ibunda dan nenek tercinta yang selalu sabar memberi dukungan kepada penulis dengan penuh kasih sayang. 7. Namboru dan amangboru saya yang memberikan dukungan tak terhingga kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan skripsi ini. 8. Norika filda rustika sianturi yang selalu mendoakan,memberi semangat dan
mencintai penulis sehingga dapat menyelesaikan skripsi ini. 9. Richo Ronald marpaung,dessy merryani marpaung,paul clinton marpaung dan jupendri surya marpaung selaku saudara penulis yang selalu memberikan dukungan semangat. 10. Rekan satu tim kerja penulis, Saudara vey sihombing,faisal hajj dan Irham yang telah bersama-sama berjuang untuk menyelesaikan skripsi ini. 11. Teman-teman seperjuangan stambuk 08,yang sudah atau belum sarjana dan adikadik junior yang telah membantu dan mendukung pelaksanaan skripsi ini. Penulis menyadari bahwa mungkin ada beberapa kesalahan dan kekeliruan dalam penulisan skripsi ini.oleh karena itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima kritik dan saran yang membangun untuk memperbaiki skripsi ini.semoga skripsi ini dapat memberi manfaat kepada pembaca.akhir kata penulis mengucapkan banyak terimakasih. Medan, September 2013 Ferdy J. Marpaung
DAFTAR ISI ABSTRAK...i KATA PENGANTAR...ii DAFTAR ISI...iv DAFTAR TABEL...ix DAFTAR GAMBAR...xi DAFTAR SIMBOL...xiii AKSARA YUNANI...xiv BAB I PENDAHULUAN...1 1.1. Latar Belakang...1 1.2. Tujuan Penelitian...2 1.3. Manfaat Penelitian...2 1.4. Batasan Masalah...2 1.5. Metodologi Penelitian...3 1.6. Sistematika Penulisan...3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA...5 2.1. Fluida...5 2.2. Hukum Bernoulli...7 2.2.1. Aliran tak termampatkan...7 2.2.2.Aliran termampatkan...8 2.3. Aliran Vortex...8 2.3.1.Aliran vortex Bebas...11 2.3.2. Aliran Vortex Paksa...13 2.3.3. Aliran Vortex kombinasi...14 2.4. Turbin Air...15 2.4.1. Turbin Reaksi...15 2.4.2. Turbin Impuls...17 2.5. Klasifikasi Turbin Air...19
2.5.1. Berdasarkan Tinggi Tekan ( head )...19 2.5.2. Berdasarkan Kecepatan Spesifik...20 2.6. Performansi dan Efisiensi Turbin...20 BAB III METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN...22 3.1 Umum...22 3.2 Rancang Bangun Instalasi...23 3.3 Pengujian Turbin Vortex...26 3.4 Peralatan Pengujian...27 3.4.1. Hand Tachometer...27 3.4.2. Timbangan Pegas...28 3.4.3. Pulley...29 3.4.4. Flow Meter...29 3.4.5. Pompa Pengumpan...30 3.5. Pelaksanaan Pengujian...31 BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA...34 4.1 Perhitungan efisiensi turbin vortex dengan menggunakan sudu 2 pada diameter saluran buang 5,5 cm (bukaan katup 30, 60, dan 90 ) dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing...34 4.1.1. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 30...35 4.1.2. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 60...36 4.1.3. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 90...37 4.2 Perhitungan efisiensi turbin vortex dengan menggunakan sudu 2 pada diameter saluran buang 6 cm (bukaan katup 30, 60, dan 90 ) dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing...39 4.2.1. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 30...39 4.2.2. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 60...40 4.2.3. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 90...41 4.3. Perhitungan efisiensi turbin vortex dengan menggunakan sudu 2 pada diameter saluran buang 7 cm (bukaan katup 30, 60, dan 90 ) dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing...42
4.3.1. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 30...42 4.3.2. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 60...43 4.3.3. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 90...44 4.4 Perhitungan efisiensi turbin vortex dengan menggunakan sudu 3 pada diameter saluran buang 5,5 cm (bukaan katup 30, 60, dan 90 ) dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing...45 4.4.1. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 30...45 4.4.2. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 6046 4.4.3. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 90...47 4.5 Perhitungan efisiensi turbin vortex dengan menggunakan sudu 3 pada diameter saluran buang 6 cm (bukaan katup 30, 60, dan 90 ) dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing...48 4.5.1. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 30...48 4.5.2. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 60...49 4.5.3. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 90...50 4.6. Perhitungan efisiensi turbin vortex dengan menggunakan sudu 3 pada diameter saluran buang 7 cm (bukaan katup 30, 60, dan 90 ) dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing...51 4.6.1. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 30...51 4.6.2. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 60...52 4.6.3. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 90...53 4.7 Segitiga kecepatan pada turbin vortex...54 4.8 Grafik perbandingan hasil pengujian turbin vortex menggunakan sudu 2, saluran buang 5,5 cm pada bukaan katup 30, 60 dan 90 dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing...59 4.8.1. Perbandingan efisiensi turbin dengan torsi...59 4.8.2. Perbandingan putaran turbin dengan torsi...60 4.8.3. Perbandingan putaran dengan daya turbin...61 4.9 Grafik perbandingan hasil pengujian turbin vortex menggunakan sudu 2, saluran buang 6 cm pada bukaan katup 30, 60 dan 90 dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing...62
4.9.1. Perbandingan efisiensi turbin dengan torsi...62 4.9.2. Perbandingan putaran turbin dengan torsi...63 4.9.3. Perbandingan putaran dengan daya turbin...64 4.10 Grafik perbandingan hasil pengujian turbin vortex menggunakan sudu 2, saluran buang 7 cm pada bukaan katup 30, 60 dan 90 dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing...65 4.10.1. Perbandingan efisiensi turbin dengan torsi...65 4.10.2. Perbandingan putaran turbin dengan torsi...66 4.10.3. Perbandingan putaran dengan daya turbin...67 4.11 Grafik perbandingan hasil pengujian turbin vortex menggunakan sudu 3, saluran buang 5,5 cm pada bukaan katup 30, 60 dan 90 dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing...68 4.11.1. Perbandingan efisiensi turbin dengan torsi...68 4.11.2. Perbandingan putaran turbin dengan torsi...69 4.11.3. Perbandingan putaran dengan daya turbin...70 4.12 Grafik perbandingan hasil pengujian turbin vortex menggunakan sudu 3, saluran buang 6 cm pada bukaan katup 30, 60 dan 90 dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing...71 4.12.1. Perbandingan efisiensi turbin dengan torsi...71 4.12.2. Perbandingan putaran turbin dengan torsi...72 4.12.3. Perbandingan putaran dengan daya turbin...73 4.13 Grafik perbandingan hasil pengujian turbin vortex menggunakan sudu 3, saluran buang 7 cm pada bukaan katup 30, 60 dan 90 dengan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing...74 4.13.1. Perbandingan efisiensi turbin dengan torsi...74 4.13.2. Perbandingan putaran turbin dengan torsi...75 4.13.3. Perbandingan putaran dengan daya turbin...76 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN...77 5.1. Kesimpulan...77 5.2. Saran...78
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Jenis Turbin Berdasarkan Kecepatan Spesifik...20 Tabel 4.1 Nilai debit air dan kecepatan air pada bukaan katup 30,60, dan 90...35 Tabel 4.2 Nilai laju aliran massa pada bukaan katup 30, 60, dan 90...35 Tabel 4.3 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 30,diameter saluran buang 5,5 cm,dan ketinggian 0,1 cm...36 Tabel 4.4 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 60, diameter saluran buang 5,5 cm,dan ketinggian 0,1 cm...37 Tabel 4.5 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 90, diameter saluran buang 5,5 cm,dan ketinggian 0,1 cm...38 Tabel 4.6 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 30, diameter saluran buang 6 cm, dan ketinggian 0,1 cm...39 Tabel 4.7 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 60, diameter saluran buang 6 cm, dan ketinggian 0,1 cm...40 Tabel 4.8 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 90, diameter saluran buang 6 cm, dan ketinggian 0,1 cm...41 Tabel 4.9 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 30,diameter saluran buang 7 cm, dan ketinggian 0,1 cm...43 Tabel 4.10 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 60,diameter saluran buang 7 cm, dan ketinggian 0,1 cm...44 Tabel 4.11 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 2 pada bukaan 90, diameter saluran buang 7 cm, dan ketinggian 0,1 cm...45 Tabel 4.12 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 30,diameter saluran buang 5,5 cm dan ketinggian 0,1 cm.....46 Tabel 4.13 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 60,diameter saluran buang 5,5 cm dan ketinggian 0,1 cm...47 Tabel 4.14 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 90,diameter saluran buang 5,5 cm dan ketinggian 0,1 cm...48 Tabel 4.15 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 30,diameter saluran buang 6 cm dan ketinggian 0,1 cm...49 Tabel 4.16 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 60,diameter saluran buang 6 cm dan ketinggian 0,1 cm...50
Tabel 4.17 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 90,diameter saluran buang 6 cm dan ketinggian 0,1 cm...51 Tabel 4.18 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 30,diameter saluran buang 7 cm dan ketinggian 0,1 cm...52 Tabel 4.19 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 60,diameter saluran buang 7 cm dan ketinggian 0,1 cm...53 Tabel 4.20 Hasil perhitungan percobaan menggunakan sudu 3 pada bukaan 90,diameter saluran buang 7 cm dan ketinggian 0,1 cm...54
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Pusaran air...9 Gambar 2.2 Pola garis arus untuk sebuah vortex...10 Gambar 2.3 Gerakan elemen fluida dari A ke B : vortex bebas...11 Gambar 2.4 Gerakan elemen fluida dari A ke B : Vortex paksa...13 Gambar 2.5 Turbin Francis...16 Gambar 2.6 Turbin Kaplan...16 Gambar 2.7 Turbin Vortex...17 Gambar 2.8 Turbin Pelton...18 Gambar 2.9 Turbin Crossflow...19 Gambar 3.1 Poros turbin...23 Gambar 3.2 Sudu turbin...24 Gambar 3.3 Dudukan turbin...24 Gambar 3.4 Rumah turbin...25 Gambar 3.5 Saluran buang...25 Gambar 3.6 Instalasi Turbin Vortex...26 Gambar 3.7 Sudu dan poros turbin vortex sebelum dirakit...27 Gambar 3.8 Turbin vortex setelah dirakit...27 Gambar 3.9 Hand Tachometer...28 Gambar 3.10 Timbangan Pegas...28 Gambar 3.11 Pulley...29 Gambar 3.12 Flow meter...30 Gambar 3.13 Pompa Pengumpan...30 Gambar 4.1 Segitiga kecepatan turbin vortex...54 Gambar 4.2 Segitiga kecepatan pada sisi keluar...57 Gambar 4.3 Grafik Efisiensi vs Torsi menggunakan sudu 2 pada bukaan 30, 60 dan 90 saluran buang 5,5 cm dengan ketinggian 0,1 cm...59 Gambar 4.4 Grafik Putaran vs Torsi menggunakan sudu 2 pada bukaan 30, 60 dan 90 saluran buang 5,5 cm dengan ketinggian 0,1 cm...60
Gambar 4.5 Grafik Putaran Turbin vs Daya Turbin menggunakan sudu 2 pada bukaan 30, 60 dan 90 saluran buang 5,5 cm dengan ketinggian 0,1 cm...61 Gambar 4.6 Grafik Efisiensi vs Torsi menggunakan sudu 2 pada bukaan 30, 60 dan 90 saluran buang 6 cm dengan ketinggian 0,1 cm...62 Gambar 4.7 Grafik Putaran vs Torsi menggunakan sudu 2 pada bukaan 30, 60 dan 90 saluran buang 6 cm dengan ketinggian 0,1 cm...63 Gambar 4.8 Grafik Putaran Turbin vs Daya Turbin menggunakan sudu 2 pada bukaan 30, 60 dan 90 saluran buang 6 cm dengan ketinggian 0,1 cm...64 Gambar 4.9 Grafik Efisiensi vs Torsi menggunakan sudu 2 pada bukaan 30, 60 dan 90 saluran buang 7 cm dengan ketinggian 0,1 cm...65 Gambar 4.10 Grafik Putaran vs Torsi menggunakan sudu 2 pada bukaan 30, 60 dan 90 saluran buang 7 cm dengan ketinggian 0,1 cm...66 Gambar 4.11 Grafik Putaran Turbin vs Daya Turbin menggunakan sudu 2 pada bukaan 30, 60 dan 90 saluran buang 7 cm dengan ketinggian 0,1 cm...67 Gambar 4.12 Grafik Efisiensi vs Torsi menggunakan sudu 3 pada bukaan 30, 60 dan 90 saluran buang 5,5 cm dengan ketinggian 0,1 cm...68 Gambar 4.13 Grafik Putaran vs Torsi menggunakan sudu 3 pada bukaan 30, 60 dan 90 saluran buang 5,5 cm dengan ketinggian 0,1 cm...69 Gambar 4.14 Grafik Putaran Turbin vs Daya Turbin menggunakan sudu 3 pada bukaan 30, 60 dan 90 saluran buang 5,5 cm dengan ketinggian 0,1 cm...70 Gambar 4.15 Grafik Efisiensi vs Torsi menggunakan sudu 3 pada bukaan 30, 60 dan 90 saluran buang 6 cm dengan ketinggian 0,1 cm...71 Gambar 4.16 Grafik Putaran vs Torsi menggunakan sudu 3 pada bukaan 30, 60 dan 90 saluran buang 6 cm dengan ketinggian 0,1 cm...72 Gambar 4.17 Grafik Putaran Turbin vs Daya Turbin menggunakan sudu 3 pada bukaan 30, 60 dan 90 saluran buang 6 cm dengan ketinggian 0,1 cm...73 Gambar 4.18 Grafik Efisiensi vs Torsi menggunakan sudu 3 pada bukaan 30, 60 dan 90 saluran buang 7 cm dengan ketinggian 0,1 cm...74 Gambar 4.19 Grafik Putaran vs Torsi menggunakan sudu 3 pada bukaan 30, 60 dan 90 saluran buang 7 cm dengan ketinggian 0,1 cm...75 Gambar 4.20 Grafik Putaran Turbin vs Daya Turbin menggunakan sudu 3 pada bukaan 30, 60 dan 90 saluran buang 7 cm dengan ketinggian 0,1 cm...76
DAFTAR SIMBOL SIMBOL ARTI SATUAN m Massa kg g v Q Gravitasi Kecepatan Debit aliran A Luas penampang m³ ṁ Laju aliran massa n Putaran turbin rpm l Panjang lengan m Daya turbin Daya air watt watt T Torsi Nm r Jari jari partikel fluida m h Tinggi air jatuh m
AKSARA YUNANI LAMBANG ARTI SATUAN Efisiensi turbin % ρ Massa jenis air ω Kecepatan sudut rad/s θ Sudut air masuk