UJI PERFORMANSI TURBIN PELTON DENGAN 26 SUDU PADA HEAD 9,41 METER DAN ANALISA PERBANDINGAN MENGGUNAKAN VARIASI BENTUK SUDU SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik BONA HALASAN NABABAN NIM. 080401038 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013
UJI PERFORMANSI TURBIN PELTON DENGAN 26 SUDU PADA HEAD 9,41 METER DAN ANALISA PERBANDINGAN MENGGUNAKAN VARIASI BENTUK SUDU BONA HALASAN NABABAN NIM 080401038 Telah Disetujui Oleh:
ABSTRAK Penelitian ini bertujuan untuk meneliti Turbin Pelton untuk Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) dengan variasi bentuk sudu dan variasi bukaan katup pada head 9,41 meter. Variasi bentuk sudu yang digunakan adalah bentuk sudu mangkok dan bentuk sudu setengah silinder sedangkan variasi bukaan katupnya adalah 60 o, 75 o, 90 o. Langkah-langkah yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi perancangan, pembuatan, dan pengujian menggunakan dinamometer untuk mengetahui efisiensi dan karakteristik turbin. Turbin yang diuji memiliki nosel tunggal, dengan jumlah sudu 26 buah. Dari data pengujiaan pada sudu mangkok maupun sudu setengah silinder memiliki kecenderungan yang sama pada karakteristik grafiknya. Tetapi daya dan efisiensi yang dihasilkan turbin pada sudu mangkok lebih besar dibandingkan dengan sudu setengah silinder yaitu sebesar 228,96 Watt dan 41,83 % di bukaan katup 90 pada sudu mangkok dan sebesar 191.56 Watt dan 35 % di bukaan katup 90 pada sudu setengah silinder. Kata Kunci : Turbin Pelton, sudu mangkok, sudu setengah silinder.
DAFTAR ISI ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR TABEL... viii DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR SIMBOL... xii AKSARA YUNANI... xiii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Maksud dan Tujuan Penelitian... 4 1.3 Batasan Masalah... 5 1.4 Metodologi Penelitian... 5 1.5 Keluaran Skripsi... 6 1.6 Sistematika Penulisan... 6 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Turbin Air... 7 2.1.1 Klasifikasi Turbin Air... 7 2.1.2 Perbandingan Karakteristik Turbin Air... 11 2.1.3 Head Turbin... 12 2.2 Turbin Pelton... 15
2.2.1 Pengenalan Turbin Pelton... 15 2.2.2 Karakteristik Grafik Turbin Pelton... 19 2.3 Dinamometer... 21 BAB III 2.4 Efisiensi Turbin ( )... 22 METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN 3.1 Umum... 24 3.2 Pengujian Turbin Pelton... 25 3.3 Rancang Bangun Instalasi... 31 3.4 Spesifikasi Teknis Turbin Yang Digunakan... 32 3.5 Peralatan Pengujian... 33 BAB IV 3.5.1 Hand Tachometer... 33 3.5.2 Rollmeter... 34 3.5.3 Flow Meter Digital... 34 3.5.4 Pompa Pengumpan... 35 3.6 Pelaksanaan Pengujian... 36 HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN 4.1 Perhitungan Efisiensi Turbin Pelton Pada Head 9,41 Meter Denagn Menggunakan Satu Nosel (Bukaan Nosel 90º) Dengan Menggunakan 24 Sudu Mangkok... 40 4.2 Grafik Hasil Pengujian Dengan 24 Sudu Mangkok Bukaan Katub 90... 46 4.3 Perhitungan Efisiensi Turbin Pelton Pada Head 9,41 Meter Denagn Menggunakan Satu Nosel (Bukaan Nosel 75º)
Dengan Menggunakan 24 Sudu Mangkok... 48 4.4 Grafik Hasil Pengujian Dengan 24 Sudu Mangkok Bukaan Katub 75... 54 4.5 Perhitungan Efisiensi Turbin Pelton Pada Head 9,41 Meter Denagn Menggunakan Satu Nosel (Bukaan Nosel 60º) Dengan Menggunakan 24 Sudu Mangkok... 56 4.6 Grafik Hasil Pengujian Dengan 24 Sudu Mangkok Bukaan Katub 60... 62 4.7 Perhitungan Efisiensi Turbin Pelton Pada Head 9,41 Meter Denagn Menggunakan Satu Nosel (Bukaan Nosel 90º) Dengan Menggunakan 24 Sudu Setengah Silinder... 64 4.8 Grafik Hasil Pengujian Dengan 24 Sudu Setengah Silinder Bukaan Katub 90... 66 4.9 Perhitungan Efisiensi Turbin Pelton Pada Head 9,41 Meter Denagn Menggunakan Satu Nosel (Bukaan Nosel 75º) Dengan Menggunakan 24 Sudu Setengah Silinder... 68 4.10 Grafik Hasil Pengujian Dengan 24 Sudu Setengah Silinder Bukaan Katub 75... 70 4.11 Perhitungan Efisiensi Turbin Pelton Pada Head 9,41
Meter Denagn Menggunakan Satu Nosel (Bukaan Nosel 60º) Dengan Menggunakan 24 Sudu Setengah Silinder... 72 4.12 Grafik Hasil Pengujian Dengan 24 Sudu Setengah Silinder Bukaan Katub 60... 74 4.13 Grafik Perbandingan Hasil Pengujian Turbin Dengan 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katub 60,75,90... 76 4.14 Grafik Perbandingan Hasil Pengujian Turbin Dengan 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katub 60,75,90... 78 4.15 Grafik Karakteristik Turbin Pelton Sudu Mangkok... 81 4.16 Grafik Karakteristik Turbin Pelton Sudu Setengah Silinder... 85 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan... 90 5.2 Saran... 92 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR TABEL Tabel 1.1 Komposisi sumber energi dari 10 negara konsumen energi terbesar dunia (dalam juta ton setara minyak) tahun 2005... 1 Tabel 1.2 Potensi Energi Terbarukan Untuk Pembangkit Listrik di Indonesia (Blue Print Pengelolaan Energi Nasional 2006-2025).. 2 Tabel 2.1 Kecepatan Spesifik Turbin... 11 Tabel 4.1 Head Losses Minor pada Pipa 4 inci.... 42 Tabel 4.2 Head Losses Minor pada Pipa 2 inci.... 43 Tabel 4.3 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Turbin 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 90º... 45 Tabel 4.4 Head Losses Minor pada Pipa 4 inci... 50 Tabel 4.5 Head Losses Minor pada Pipa 2 inci... 51 Tabel 4.6 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Turbin 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 75º... 53 Tabel 4.7 Head Losses Minor pada Pipa 4 inci... 58 Tabel 4.8 Head Losses Minor pada Pipa 2 inci... 59 Tabel 4.9 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Turbin 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 60º... 61 Tabel 4.10 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Turbin 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 90º... 65 Tabel 4.11 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Turbin 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 75º... 69 Tabel 4.12 Tabel Hubungan Antara Beban dengan Efisiensi Turbin 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 60º... 73
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Turbin Cross Flow... 8 Gambar 2.2 Turbin Pelton... 9 Gambar 2.3 Turbin Francis... 10 Gambar 2.4 Turbin Propeler... 11 Gambar 2.5 Perbandingan Karakteristik Turbin... 12 Gambar 2.6 Diagram Bernoulli Untuk Turbin Air... 14 Gambar 2.7 Runner Turbin Pelton.... 16 Gambar 2.8 Sudu (Bucket).... 17 Gambar 2.9 Nosel... 18 Gambar 2.10 Rumah Turbin Pelton.... 18 Gambar 2.11 Gambar Debit vs Efisiensi (Q vs ɳ).... 19 Gambar 2.12 Gambar Daya vs Efisiensi (P vs ɳ)... 20 Gambar 2.13 Gambar Kecepatan Turbin vs Daya Turbin (rpm vs P).... 20 Gambar 2.14 Gambar Kecepatan Turbin vs Efisiensi (rpm vs ɳ).... 21 Gambar 2.15 Dinamo Meter.... 22 Gambar 3.1 Sudu dan Runner Turbin Pelton Sebelum Dirakit.... 26 Gambar 3.2 Turbin Pelton Setelah Dirakit.... 26 Gambar 3.3 Instalasi Pipa untuk Turbin Pelton.... 32 Gambar 3.4 Hand Tachometer... 33 Gambar 3.5 Rollmeter.... 34 Gambar 3.6 Flow Meter Digital... 35 Gambar 3.7 Pompa Pengumpan... 36 Gambar 4.1 Grafik Beban (N) vs Efisiensi ( 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 90º... 46 Gambar 4.2 Grafik Beban (N) vs Putaran (rpm) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 90º... 47 Gambar 4.3 Grafik Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 90º.... 48 Gambar 4.4 Grafik Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 75º.... 54
Gambar 4.5 Grafik Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 75º... 55 Gambar 4.6 Grafik Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 75º.... 56 Gambar 4.7 Grafik Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 60º.... 62 Gambar 4.8 Grafik Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 60º.... 63 Gambar 4.9 Grafik Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 24 Buah Sudu Mangkok Bukaan Katup 60º... 64 Gambar 4.10 Grafik Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 90º... 66 Gambar 4.11 Grafik Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 90º.... 67 Gambar 4.12 Grafik Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 90º.... 68 Gambar 4.13 Grafik Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 75º.... 70 Gambar 4.14 Grafik Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 75º.... 71 Gambar 4.15 Grafik Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 75º.... 72 Gambar 4.16 Grafik Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 60º.... 74 Gambar 4.17 Grafik Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 60º.... 75 Gambar 4.18 Grafik Putaran Turbin (rpm) vs Daya Turbin (W) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Bukaan Katup 60º.... 75 Gambar 4.19 Grafik Perbandingan Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah Sudu Mangkok Pada Bukaan 60º, 75º, 90º.... 76 Gambar 4.20 Grafik Perbandingan Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Mangkok Pada Bukaan 60º, 75º, 90º.... 77
Gambar 4.21 Grafik Perbandingan Putaran Turbin vs Daya Turbin 24 Buah Sudu Mangkok Pada Bukaan 60º, 75º, 90º.... 78 Gambar 4.22 Grafik Perbandingan Beban (N) vs Efisiensi Turbin (%) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Pada Bukaan 60º, 75º, 90º.. 78 Gambar 4.23 Grafik Perbandingan Beban (N) vs Putaran Turbin (rpm) 24 Buah Sudu Setengah Silinder Pada Bukaan 60º, 75º, 90º. 79 Gambar 4.24 Grafik Perbandingan Putaran Turbin vs Daya Turbin 24 Buah Sudu Setengah Silinder Pada Bukaan 60º, 75º, 90º.. 80 Gambar 4.25 Grafik Perbandingan Debit vs Efisiensi Maksimal Turbin Pelton Sudu Mangkok Aktual dan Teori.... 81 Gambar 4.26 Grafik Daya vs Efisiensi Pelton Sudu Mangkok Aktual dan Teori..... 82 Gambar 4.27 Grafik Kecepatan Turbin vs Efisiensi Pelton Sudu Mangkok Aktual dan Teori... 83 Gambar 4.28 Grafik Kecepatan Turbin vs Efisiensi Pelton Sudu Mangkok Aktual dan Teori.... 84 Gambar 4.29 Grafik Debit vs Efisiensi Maksimal Turbin Pelton Sudu Setengah Silinder Aktual dan Teori.... 85 Gambar 4.30 Grafik Daya vs Efisiensi Turbin Pelton Sudu Setengah Silinder Aktual dan Teori... 86 Gambar 4.31 Grafik Kecepatan Turbin vs Daya Turbin Pelton Sudu Setengah Silinder Aktual dan Teori... 87 Gambar 4.32 Grafik Kecepatan Turbin vs Efisiensi Turbin Pelton Sudu Setengah Silinder Aktual dan Teori... 101
DAFTAR SIMBOL SIMBOL ARTI SATUAN m Massa kg g percepatan gravitasi m/s 2 z Selisih ketinggian m P Tekanan absolut N/m 2 V Kecepatan m/s H l Head loses pada pipa m H eff Head efektif m Q Debit aliran m 3 /s V Kecepatan aliran m/s A Luas penampang pipa m 2 n Kecepatan turbin rpm P Daya Turbin kw Ns Putaran spesifik rpm H Tinggi air jatuh m d Diameter pancaran air nosel m U Kecepatan tangensial m/s b Lebar sudu m h Tinggi sudu m t Kedalaman sudu m Daya air watt Daya turbin watt F Beban N l Panjang lengan dinamo meter m ω Kecepatan sudut rad/s C Koefisien kerugian pipa - Head losses mayor Head losses minor m m Ƭ Torsi Nm
AKSARA YUNANI LAMBANG ARTI SATUAN Efisiensi turbin % γ Berat Jenis N/m 3 ρ Massa Jenis kg/m 3 υ Viskositas Kinematik m 2 /s φ Rasio Kecepatan -