UJI EKSPERIMENTAL TURBIN KAPLAN DENGAN 5 RUNNER BLADE DAN ANALISA PERBANDINGAN VARIASI SUDUT GUIDE VANE SKRIPSI Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik JAN SIMALUNGUN PURBA NIM. 090401038 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014
ABSTRACK The power plant micro hydro scale is a installation power plant which has a small capacity and contruction instalation required budget funds relative small than with budget construction a PLTA. The power plant micro hidro scale very efficient used for demand electricity in a household cause budget funds a relatively small. Finally be expected that efficiency from kaplan water turbine used will increase and all problem electrical energy crisis can overcome so that all people can get compliance of the requerement electrical energy. Based on the idea, then be tested on kaplan water turbine micro hydro with utilize renewable energy sources. In this testing be used generator for producing electric to turn on the bulb circuit. Purpose of this test for know capacity electric power generated by kaplan turbine with utilize water flow from reservoir which flowed by the pump with capasity 0,0528 m 3 /minute as simulation of the flow of the river.runner blade is one main component in instalation testing the kaplan turbine, outer diameter runner blade which used in this testing by 16 cm. In this testingguide vane tobe tested is the angle 30 0, 45 0 dan 60 0. Of the kaplan turbine testing obtained by electric current produced by alternator with power 1,850 Watt in the angle steguring bllade water (guide vane) 30 0, in the angle steguring bllade water (guide vane) 45 0 of 4,532 watt and in the angle steguring bllade water(guide vane) 60 0 of 3,969 Watt. Keywords : Capacity, runner blade, guide vane, power.
ABSTRAK Pembangkit listrik skala mikrohidro merupakan sebuah instalasi pembangkit listrik yang memiliki kapasitas kecil dan dalam pembangunan instalasinya dibutuhkan anggaran dana yang relatif kecil dibandingkan dengan anggaran pembangunan sebuah PLTA. Pembangkit listrik dengan skala mikro hidro sangat efisien digunakan untuk kebutuhan listrik dalam sebuah rumah tangga karena anggaran dana yang relative kecil. Pada akhirnya diharapkan bahwa efisiensi dari turbin kaplan yang digunakan akan semakin meningkat dan semua masalah krisis energi listrik dapat diatasi sehingga semua orang bisa mendapatkan pemenuhan atas kebutuhan energi listrik. Berdasarkan pemikiran tersebut, maka dilakukan pengujian pada turbin kaplan skala mikro hidro dengan memanfaatkan sumber energi yang terbarukan. Pada pengujian ini digunakan generator sebagai penghasil listrik untuk menghidupkan rangkaian bola lampu. Tujuan pengujian ini untuk mengetahui kapasitas daya listrik yang dihasilkan oleh turbin kaplan dengan memanfaatkan aliran air dari reservoir yang di alirkan oleh pompa dengan kapasitas 0,0528 m 3 /menit sebagai simulasi dari aliran sungai. Runner blade merupakan salah satu komponen utama dalam instalasi pegujian turbin kaplan, diameter luar runner blade yang akan digunakan dalam pengujian ini sebesar 16 cm. Pada pengujian ini sudu pengarah air (guide vane )yang akan di uji adalah dengan sudut 30 0, 45 0 dan 60 0. Dari pengujian turbin kaplan ini diperoleh arus listrik yang dihasilkan oleh generator dengan daya sebesar 1,850 Watt pada sudut guide vane 30 0, pada sudut guide vane 45 0 sebesar 4,532 Watt dan pada sudut guide vane 60 0 sebesar 3,969 Watt. Kata kunci: Kapasitas, runner blade, guide vane,daya.
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala limpahan rahmat dan karunia-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul Uji Eksperimental Turbin Kaplan Dengan 5 Runner Blade Dan Analisa Perbandingan Variasi Sudut Guide Vane Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan pendidikan Strata-1 (S1) Fakultas Teknik Departemen Teknik Mesin di Universitas Sumatera Utara pada sub bidang Energi Air. Dalam menyelesaikan skripsi ini penulis banyak menerima bimbingan dan dorongan berupa pemikiran, tenaga, semangat, motivasi serta waktu dari berbagai pihak. Untuk itu penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada: 1. Kedua orang tua penulis, I. Purba dan B. Saragih. yang selalu memberikan dukungan dan semangat, baik berupa materi, doa, serta motivasi demi terselesainya penulisan skripsi ini. 2. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan bimbingannya kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini. 3. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST, MT selaku dosen penguji 1 yang telah banyak memberikan ilmu dan meluangkan waktunya dalam membimbing penulis selama masa penyelesaian skripsi ini. 4. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST, MT selaku dosen penguji 2 yang telah banyak memberikan ilmu dan meluangkan waktunya dalam membimbing penulis selama masa penyelesaian skripsi ini
5. Bapak DR. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik. 6. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin yang telah membantu keperluan penulis selama kuliah hingga selesainya penulisan skripsi ini. 7. Rekan-rekan penulis, David Harold Manurung, David Permadi Nainggolan dan Jannes Tampubolon yang selalu memberikan motivasi hingga skripsi ini dapat terselesaikan. 8. Rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin khususnya stambuk 2009 yang telah banyak memberikan bantuan, baik berupa jasa dan waktunya hingga penyelesaian skripsi ini. Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penyusunan skripsi ini. Oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang sifatnya membangun demi kesempurnaan skripsi ini. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih dan semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi yang membacanya. Medan, Januari 2015 Jan Simalungun Purba NIM: 090401038
DAFTAR ISI ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR TABEL... xii DAFTAR SIMBOL... xiii 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 Keluaran Skripsi... 5 1.7 Sistematika Penulisan... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Potensi Tenaga Air... 7 2.2 Sejarah Turbin Air... 8 2.3 Klasifikasi Turbin Air... 9 2.3.1 Turbin Impuls... 10
2.3.1.1 Turbin Pelton... 10 2.3.1.2 Turbin Turgo... 11 2.3.1.3 Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow... 12 2.3.2 Turbin Reaksi... 13 2.3.2.1 Turbin Francis... 13 2.3.2.2 Turbin Kaplan... 14 2.3.2.2.1 Prinsip Kerja Turbin Kaplan... 15 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... 21 2.4 Karakteristik Turbin... 23 2.5 Seleksi Awal Jenis Turbin... 24 2.6 Generator Listrik... 27 2.7 Sabuk Dan Puli... 27 2.7.1 Jenis Gerakan Pada Sabuk... 28 2.7.2 Perbandingan Kecepatan Puli... 30 2.7.3 Efisiensi Puli... 31 2.8 Daya Listrik... 31 BAB III METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN 3.1 Umum... 32 3.2 Waktu dan Tempat Penelitian... 34 3.3 Peralatan Pengujian... 34 3.3.1 Generator... 34
3.3.2 Pompa... 34 3.3.3 Hand Tachometer... 35 3.3.4 Clamp Meter... 36 3.3.5 Multimeter... 38 3.3.6 Instalasi Rangkaian Lampu... 38 3.4 Spesifikasi dan Perlengkapan Turbin Kaplan... 39 3.5 Rancang Bangun Instalasi... 42 3.6 Pelaksanaan Pengujian... 42 3.7 Flowchart Uji Ekperimental... 45 BAB IV ANALISA DATA DAN HASIL PENGUJIAN 4.1 Perhitungan Dimensi Dasar Turbin Kaplan... 46 4.1.1 Kapasitas Aktual dan Head Efektif Instalasi... 46 4.1.2 Dimensi Dasar Turbin Kaplan... 47 4.2 Data Hasil Pengujian Turbin Kaplan Dengan 5 Runner Blade Dan Sudut Guide Vane Sebesar 30 o... 52 4.2.1 Arus, tegangan, dan putaran... 52 4.2.2 Analisa daya dan putaran altenator... 53
4.2.3 Pengujian torsi putaran berbeban... 56 4.2.4 Efisiensi daya turbin dan efisiensi daya alternator... 57 4.2.5 Efisiensi Puli... 59 4.3 Data Hasil pengujian Turbin Kaplan Dengan 5 Runner Blade Dan Sudut Guide Vane Sebesar 45 o... 59 4.3.1 Arus, tegangan, dan putaran... 59 4.3.2 Analisa daya dan putaran altenator... 60 4.3.3 Pengujian torsi putaran berbeban... 63 4.3.4 Efisiensi daya turbin dan efisiensi daya altenator... 64 4.3.5 Efisiensi puli... 66 4.4 Data Hasil Pengujian Turbin Kaplan Dengan 6 Runner Blade Dan Sudut Guide Vane Sebesar 60 o... 67 4.4.1 Arus, tegangan, dan putaran... 67 4.4.2 Analisa daya dan putaran altenator... 68 4.4.3 Pengujian torsi putaran berbeban... 71 4.4.4 Efisiensi daya turbin dan efisiensi daya altenator... 72 4.4.5. Efisiensi puli... 74 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan... 75 5.2 Saran... 76 DAFTAR PUSTAKA
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Turbin pelton... 11 Gambar 2.2 Turbin Turgo... 12 Gambar 2.3 Turbin Osberger... 13 Gambar 2.4 Turbin Francis... 14 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... 19 Gambar 2.10 Elemen dasar turbin Kaplan... 20 Gambar 2.11 Segitiga kecepatan... 21 Gambar 2.12 Grafik perbandingan karakteristik turbin... 23 Gambar 2.13 Generator Listrik... 27 Gambar 2.14 Sabuk terbuka... 28 Gambar 2.15 Gerakan membelit atau melingkar pada sabuk... 29 Gambar 2.16 Gerakan dengan puli pengarah... 30 Gambar 3.1 Generator Listrik... 34
Gambar 3.2 Pompa... 35 Gambar 3.3 Hand Tachometer... 36 Gambar 3.4 Clamp Meter... 36 Gambar 3.5 Multimeter... 38 Gambar 3.6 Rangkaian Lampu... 39 Gambar 3.7 Runner Blade... 39 Gambar 3.8 Poros... 40 Gambar 3.9 Sabuk... 41 Gambar 3.10 Puli... 41 Gambar 3.11 Turbin kaplan setelah siap instalasi... 42 Gambar 4.1 Instalasi pipa... 47 Gambar 4.2 Segitiga Kecepatan... 51 Gambar 4.3 Grafik perubahan daya Alternator terhadap penambahan beban lampu pada sudut guide vane 30 0... 55 Gambar 4.4 Grafik perubahan putaran altenator terhadap penambahan beban lampu pada sudut guide vane 30 0... 55 Gambar 4.5 Grafik torsi vs putaran... 57 Gambar 4.6 Grafik perubahan daya Alternator terhadap penambahan beban lampu pada sudut guide vane 45 0... 62
Gambar 4.7 Grafik perubahan putaran altenator terhadap penambahan beban lampu pada sudut guide vane 45 0... 63 Gambar 4.8 Grafik torsi vs putaran... 64 Gambar 4.9 Grafik perubahan daya Alternator terhadap penambahan beban lampu pada sudut guide vane 60 0... 69 Gambar 4.10 Grafik perubahan putaran altenator terhadap penambahan beban lampu pada sudut guide vane 60 0... 70 Gambar 4.11 Grafik torsi vs putaran... 72 \
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Jenis-jenis turbin air dan kisaran kecepatan spesifiknya... 25 Tabel 3.1 Jangkauan dan akurasi clamp meter... 37 Tabel 4.1 Hasil pengukuran kapasitas aktual instalasi... 46 Tabel 4.2 Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator pada sudut guide vane 30 0... 54 Tabel 4.3 Hasil pengujian torsi dan putaran berbeban... 56 Tabel 4.4 Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator pada sudut guide vane 45 0... 61 Tabel 4.5 Hasil pengujian torsi dan putaran berbeban... 64 Tabel 4.6 Hasil percobaan dan daya yang dihasilkan alternator pada sudut guide vane 60 0... 69 Tabel 4.7 Hasil pengujian torsi dan putaran berbeban... 71
DAFTAR SIMBOL SIMBOL ARTI SATUAN Q Kapasitas Aliran/Debit Air m 3 /s A Luas Penampang m 2 D Diameter m m Massa kg E Energi Kinetik joule P Daya watt N s Kecepatan Spesifik rpm v Kecepatan m/s K Koefisien Kerugian Pipa - 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 B Tinngi Guide Vane m
λ Jarak Vertikal Runner m d Diameter Hub m m pt Massa Turbin kg m alt Massa Altenator kg D pt Diameter Poros Turbin m D alt Diameter Poros Altenator m T Waktu s n Putaran rpm I Kuat Arus ampere L Panjang Pipa m n Putaran rpm P air Daya Air watt PA Daya Altenator Hasil Pengujian watt V Tegangan Listrik volt I Momen Inersia kg m 2