RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN TURBIN PELTON MINI BERTEKANAN 7 BAR DENGAN DIAMETER RODA TURBIN 68 MM DAN JUMLAH SUDU 16 SKRIPSI Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik OKTO BONARIS SILALAHI (090421009) 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 16. Turbin ini diuji dengan variasi diameter puli (12 mm, 34 mm, dan 51 mm) dengan beban lampu 6 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 6 watt pada tegangan 12 V dengan putaran di turbin 2353 dan di generator 4830 dan ukuran diameter puli pada turbin 34 mm dan pada generator 12 mm. Kata kunci : Perancangan Turbin Pelton, Head, Daya, Puli.
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, atas berkat dan rahmatnya penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini. Tugas Sarjana ini disusun sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan sarjana, Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik. Dalam penyelesaian skripsi ini tidak jarang penulis menemukan kendala. Hal ini disebabkan oleh keterbatasan kemampuan penulis serta kurangnya bahan referensi yang dimiliki, berkat dorongan semangat dan motivasi yang penulis terima dari berbagai pihak, khususnya orang tua saya, yang telah memberikan doa restu serta dorongan moril dan material hingga akhirnya penulisan skripsi ini dapat diselesaikan. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan teirma kasih kepada : 1. Mamaku T.br. Simanjuntak yang senantiasa memberikan kasih sayang, dukungan, motivasi, dan nasehat yang tidak ternilai harganya dan begitu juga dengan bapakku S.A.Silalahi yang telah tiada. 2. Bapak Ikwansyah Isranuri selaku ketua jurusan departemen teknik mesi dan bapak syahrul abda selaku ketua jurusan pendidikan sarjana program extensi. 3. Bapak Syahrul Gultom, selaku dosen pembimbing yang telah banyak meuangkan waktunya membimbing, memotivasi dan membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini.bapak/ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 4. Bapak Ir. H.A.Halim Nasution, M.sc. dan Ir. Tekad Sitepu selaku dosen pembanding. 5. Abang saya Jules Silalahi & D.br Rajagukguk, Franciskustua Silalahi & Elly br. Siantury, Rolan Silalahi (+) & Liska br. Hutapea, Leonardus Silalahi & Meliana Sihotang, adik saya Asrul M.Silalahi dan Risdo Silalahi. 6. Spesial untuk A. Nova Siahaan yang telah banyak memberikan motivasi dan dukungannya 7. Seluruh rekan rekan mahasiswa Departemen Teknik Mesin teristemewa kepada teman seperjuangan saya Donal beserta Dadi Rizaldi dan Nangon (NSP). Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan baik dalam penulisan maupun penyajian Tugas Sarjana ini. Untuk itu penulis sangat mengharapkan saran saran yang membangun dari semua pihak demi kesempurnaan Tugas Sarjana ini kemudian. Akhir kata, dengan segala kerendahan hati penulis semoga Tugas Sarjana ini bermamfaat bagi yang membacanya. Penulis Medan, 09 Juni 2012 Okto B. Silalahi
DAFTAR ISI Halaman 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