Rancang Bangun Turbin Vortex Dengan Casing - USU-IR

Rancang Bangun Turbin Vortex Dengan Casing
Berpenampang Lingkaran Yang Menggunakan Sudu
Diameter 46cm Pada 3 Variasi Jarak Antara Sudu Dan
Saluran Keluar
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
GIBRAN
110421052
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2014
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji Syukur Penulis Panjatkan kehadiran Tuhan Yang Maha Esa karena atas
rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul
“Rancang Bangun Turbin Vortex Dengan Casing Berpenampang Lingkaran Yang
Menggunakan Sudu Diameter 46cm Pada 3 Variasi Jarak Antara Sudu Dan
Saluran Keluar”.
Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan pendidikan
Strata-1 (S1) Ekstensi pada Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik,
Universitas Sumatera Utara.
Dalam menyelesaikan Skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi
penulis, namun berkat dorongan, semangat, Doa dan bantuan baik materiil, moril,
maupun spirit dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu
sebagai manusia yang harus tahu terimakasih, degan penuh ketulusan hati penulis
mengucapkan terima kasih yang tak terhingga :
1.
Bapak Dr. Ing. Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Universitas Sumatera Utara.
2.
Bapak Ir. M . Syahril Gultom,. MT. Selaku Sekretaris Departemen Teknik
Mesin Universitas Sumatera Utara dan Selaku dosen pembimbing, yang
dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada
penulis.
3.
Kedua orang tua penulis, KOMAR JAYA dan SITI SAHARA, serta adik
saya ADE IRMA yang tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan,
doa, moril serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.
4.
Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang
telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis
kuliah.
5.
Seluruh Saudara penulis, yang selalu saling membantu demi mencapai citacita.
6.
Rekan-rekan satu tim kerja, Bayu, Boy, Endi, Stefanus, dan Musa yang telah
meluangkan waktunya untuk memberikan saran dan kritik.
i
Universitas Sumatera Utara
7.
Seluruh rekan mahasiswa Ekstensi angkatan 2011 yang telah bersama-sama
melewati masa-masa selama kuliah di teknik Mesin Universitas Sumatra
Utara.
8.
Kepada Abangda Lilik yang selama ini telah memberikan nasehat dan
masukan
yang
membuat
penulis
semakin
bersemangat
didalam
menyelesaikan Skripsi ini.
9.
Kepada Keluarga Besar Bengkel Las Putra Banjar yang telah bekerja sama
dalam menyelesaikan rancang bangun turbin vortex.
Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena
itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima saran,
usul, dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir
kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca.
Terima Kasih .
Medan,
Mei 2014
Penulis,
Gibran
110421052
ii
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Energi pada saat sekarang ini semakin berkurang akibat penggunaan
energy fosil secara berlebihan di semua bidang, Ilmuwan di seluruh dunia
menyadari hal ini dan mencoba berbagai energi alternatif. Salah satu sumber
energi saat ini yang banyak dilakukan penelitian adalah arus air. Indonesia adalah
Negara agraris yang menghasilkan air secara terus menerus, sehingga turbin air
lebih diutamakan dari turbin angin karena angin di Indonesia relatif stabil.
Microhydro ataupun picohydro yang dibuat biasanya memanfaatkan air terjun
dengan head jatuh yang besar, sedangkan untuk aliran sungai dengan head jatuh
yang kecil dimanfaatkan dengan optimal. Hal ini menjadi referensi untuk
memanfaatan aliran sungai dengan mengubahnya menjadi aliran vortex. Tujuan
dari rancang bangun ini adalah untuk mendapatkan rancangan casing turbin
vortex, rancangan poros, rancangan sudu dan bantalan serta bahan- yang sesuai.
Turbin Vortex ini dirancang dengan debit air 0.0052 dan kecepatan air
1.44 m/s. Menggunakan casing berpenampang lingkaran berbahan Akrilik, dengan
sudu berbahan seng. Hasil dari rancang bangun ini diharapkan akan bermanfaat
untuk pengguna turbin vortex, sehingga didapat turbin vortex yang aman pada saat
digunakan.
Kata Kunci : Energi,arus air,turbin air,head,vortex,lingkaran,akrilik.
iii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
Halaman
KATA PENGANTAR........................................................................................i
DAFTAR ISI.......................................................................................................ii
DAFTAR GAMBAR.........................................................................................iii
DAFTAR TABEL.............................................................................................iv
DAFTAR NOTASI............................................................................................v
BAB I PENDAHULUAN
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 Sistem Penulisan .............................................................................. 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Potensi Energi Air..............................................................................5
2.2 Mesin-Mesin Fluida...........................................................................6
2.3 Pengertian Turbin Air........................................................................6
2.4 Komponen – Komponen Turbin........................................................8
2.5 Jenis-Jenis Turbin Air........................................................................9
2.5.1 Turbin Impuls..........................................................................10
2.5.2 Turbin Reaksi..........................................................................13
2.6 Klasifikasi Turbin.............................................................................16
2.6.1 Klasifikasi Berdasarkan Ketinggian Jatuh Air........................16
iv
Universitas Sumatera Utara
2.6.2 Klasifikasi Berdasarkan Kecepatan Spesifik Turbin...............17
2.6.3 Klasifikasi Berdasarkan Arah Aliran Fluida...........................18
2.7 Turbin Vortex (Pusaran Air)...........................................................18
2.7.1 Cara Kerja Turbin Vortex.......................................................19
2.7.2 Komponen Utama Turbin Vortex...........................................20
2.7.3 Keunggulan Turbin Vortex.....................................................20
2.7.4 Pengaruh Turbin Vortex Pada Lingkungan.............................21
2.7.5 Pengembangan Turbin Vortex di Air Sungai..........................22
2.8 Aliran Vortex..................................................................................24
2.8.1 Aliran Vortex Bebas...............................................................24
2.8.2 Aliran Vortex Paksa...............................................................25
2.8.3 Aliran Vortex Kombinasi.......................................................25
2.9 Penampang Air..............................................................................26
2.10 Saluran Masuk (Inlet area)...........................................................26
BAB III METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN
3.1 Umum............................................................................................28
3.2 Rancang Bangun Instalasi..............................................................29
3.2.1 Rumah Turbin…………..........................................................29
3.2.2 Poros Turbin.............................................................................30
3.2.3 Sudu Turbin…………..............................................................30
3.2.4 Bantalan (bearing)………………............................................31
3.2.5 Dudukan Turbin………….......................................................32
v
Universitas Sumatera Utara
3.2.6 Saluran Keluar……………………………………….……….32
3.2.7 Talang.......................................................................................32
3.3 Peralatan Pengujian.........................................................................33
3.3.1 Hand Tachometer.....................................................................33
3.3.2 Timbangan Pegas……………………………………………..33
3.3.3 Pulley…………………………………………………………34
3.3.4 Pompa………………………………………………..……….35
3.4 Pelaksanaan Pengujian……………………………………………36
3.5 Penentuan Debit Aliran Air…………………………...………….39
3.6 Analisa Segitiga Kecepatan……………………………….………40
3.6.1 Analisa Segitiga Kecepatan Pada Sisi Masuk………………...43
3.6.2 Analisa Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar…..................…43
BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA
4.1 Perhitungan Efisiensi Turbin Vortex Rumah Sudu (casing)
Berpenampang Lingkaran Dengan Diameter Saluran Keluar 6cm
(Dengan Ketinggian Antara Sudu Dengan Saluran Keluar 2, 4,
6cm)…………………………………………………………….45
4.1.1 Efisiensi Turbin Vortex Dengan Jarak Antara Sudu dengan
Saluran Keluar Ketinggian 2cm……………………………..46
4.1.2 Efisiensi Turbin Vortex Dengan Jarak Antara Sudu dengan
Saluran Keluar Ketinggian 4cm………………….………….49
4.1.3 Efisiensi Turbin Vortex Dengan Jarak Antara Sudu dengan
Saluran Keluar Ketinggian 6cm……………………………..52
vi
Universitas Sumatera Utara
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan…………………………………………………..……56
5.2 Saran…………………………………………………………........57
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
vii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Sudu Turbin Pelton…………………………………………….....10
Gambar 2.2 Turbin Pelton…………………………………………..…...…….11
Gambar 2.3 Turbin Crossflow……………………………………..…………..13
Gambar 2.4 Turbin Kaplan…………………………………………...………..14
Gambar 2.5 Turbin Francis…………………………………………………….15
Gambar 2.6 Turbin Vortex……………………………….......………………..15
Gambar 2.7 Rumah Turbin Vortex………………………………………….…20
Gambar 2.8 Pembangkit Listrik Pusaran Air Sebagai Bio-Reaktor……….…..22
Gambar 2.9 Gravitasi Pembangkit Listrik Pusaran Air……………………..…23
Gambar 2.10 Tipe – Tipe Vortex……………...…………………...………….26
Gambar 2.11 Beberapa Tipe Saluran Masuk……………………….………….27
Gambar 3.1 Rumah Turbin (Casing) Lingkaran………...………….…………29
Gambar 3.2 Sudu Turbin Vortex…………………………………….……..….31
Gambar 3.3 Bantalan (Bearing)…………………………………….….….…..31
Gambar 3.4 Dudukan Turbin………………………………………….……….32
Gambar 3.5 Saluran Keluar……………………………………………………32
Gambar 3.6 Instalasi Turbin Vortex Tampak Samping…………………….…33
Gambar 3.7 Hand Tachometer………………………………………………...33
Gambar 3.8 Timbangan Pegas………………………………………………...34
Gambar 3.9 Pulley………………………………………………………...…..35
viii
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.10 Pompa Pengumpan……………………………..…..…………..35
Gambar 3.11 Segitiga Kecepatan Pada Kontstruksi Roda Jalan…………...…40
Gambar 3.12 Segitiga Kecepatan Pada Sisi Masuk dan Sisi Keluar………….44
Gambar 4.1 Grafik Torsi vs Efisiensi Pada Jarak Sudu Dengan Saluran
Keluar Ketinggian 2cm………………………..…………………47
Gambar 4.2 Grafik Torsi vs Kecepatan Sudut (ω) Pada Jarak Sudu Dengan
Saluran Keluar Ketinggian 2cm…………………………….……48
Gambar 4.3 Grafik Kecepatan Sudut (ω) vs Daya Turbin Pada Jarak Sudu
Dengan Saluran Keluar Ketinggian 2cm…………......………….49
Gambar 4.4 Grafik Torsi vs Efisiensi Pada Jarak Sudu Dengan Saluran
Keluar Ketinggian 4cm…………………………...…….………..51
Gambar 4.5 Grafik Torsi vs Kecepatan Sudut (ω) Pada Jarak Sudu Dengan
Saluran Keluar Ketinggian 4cm…………………………….……51
Gambar 4.6 Grafik Kecepatan Sudut (ω) vs Daya Turbin Pada Jarak Sudu
Dengan Saluran Keluar Ketinggian 4cm……………….………..52
Gambar 4.7 Grafik Torsi vs Efisiensi Pada Jarak Sudu Dengan Saluran
Keluar Ketinggian 6cm……………………………….….………54
Gambar 4.8 Grafik Torsi vs Kecepatan Sudut (ω) Pada Jarak Sudu Dengan
Saluran Keluar Ketinggian 6cm………………………….………55
Gambar 4.9 Grafik Kecepatan Sudut (ω) vs Daya Turbin Pada Jarak Sudu
Dengan Saluran Keluar Ketinggian 6cm…………………...……55
ix
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Klasifikasi Turbin Air Berdasarkan Tinggi Jatuh Air………...……16
Tabel 2.2 Klasifikasi Berdasarkan Putaran Spesifik…………………………..18
Tabel 2.3 Klasifikasi Berdasarkan Arah Aliran Fluida…………………….….18
Tabel 3.1 Percobaan Aliran Debit Air Berdasarkan Tekanan Pompa Air…….39
Tabel 4.1 Nilai Laju Aliran Massa Pada Jarak Antara Sudu dan Saluran
Keluar 2,4,6cm………………………………….………………….46
Tabel 4.2 Hasil Perhitungan Percobaan Pada Jarak Sudu Antara Sudu Dengan
Saluran Keluar Ketinggian 2cm…………………………………….47
Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Percobaan Pada Jarak Sudu Antara Sudu Dengan
Saluran Keluar Ketinggian 4cm…………………………………….50
Tabel 4.4 Hasil Perhitungan Percobaan Pada Jarak Sudu Antara Sudu Dengan
Saluran Keluar Ketinggian 6cm……………………………...…….54
x
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR SIMBOL
Lambang
Arti
SATUAN
A
Luas
(m)
b
Lebar Penampang
(m)
D1
Diameter Roda Jalan Sisi Masuk
(m)
D2
Diameter Roda Jalan Sisi Keluar
(m)
Dt
Diameter Turbin
(m)
Dp
Diameter Poros
(m)
f
Koefisien
Ft
Gaya Tekanan
(N)
Fr
Gaya Radial
(N)
Fa
Gaya Aksial
(N)
g
konstanta Gravitasi
(9,81 m/s)
H
Head
(m)
k
Koefisien Losses
L
Panjang (Jarak Antara Sudu)
(m)
n
Putaran Operasi
(rpm)
ns
Putaran Spesifik
(rpm)
N
Jumlah Sudu
P
Daya
(Watt)
Q
Debit Aliran
(m3/s)
t
Tebal Sudu Roda Jalan
(m)
U
Kecepatan Tangensial
(m/s)
V
Kecepatan
(m/s)
z
Jumlah Sudu
xi
Universitas Sumatera Utara