PENGARUH VARIASI KEMIRINGAN PROPELLERlib.unnes.ac.id/35489/1/5212412012_Optimized.pdfturbin dalam...
Transcript of PENGARUH VARIASI KEMIRINGAN PROPELLERlib.unnes.ac.id/35489/1/5212412012_Optimized.pdfturbin dalam...
ii
PENGARUH VARIASI KEMIRINGAN PROPELLER
TERHADAP EFISIENSI TURBIN ULIR
Skripsi
diajukan sebagai salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin
Oleh
Faris Aji Sakya Putra
NIM.5212412012
TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG
2019
iii
iv
v
PERNYATAAN KEASLIAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa:
1. Skripsi ini, adalah asli dan belum pernah diajukan untuk mendapatkan
gelar akademik (sarjana, magister, dan/atau doktor), baik di Universitas
Negeri Semarang (UNNES) maupun di perguruan tinggi lain.
2. Karya tulis ini adalah murni gagasan, rumusan, dan penelitian saya sendiri,
tanpa bantuan pihak lain, kecuali arahan Pembimbing dan masukan Tim
Penguji.
3. Dalam karya tulis ini tidak terdapat karya atau pendapat yang telah ditulis
atau dipublikasikan orang lain, kecuali secara tertulis dengan jelas
dicantumkan sebagai acuan dalam naskah dengan disebutkan nama
pengarang dan dicantumkan dalam daftar pustaka.
4. Pernyataan ini saya buat dengan sesungguhnya dan apabila di kemudian
hari terdapat penyimpangan dan ketidakbenaran dalam pernyataan ini,
maka saya bersedia menerima sanksi akademik berupa pencabutan gelar
yang telah diperoleh karena karya ini, serta sanksi lainnya sesuai dengan
norma yang berlaku di perguruan tinggi ini.
Semarang, 9 Mei 2019
Faris Aji Sakya Putra
NIM. 5212412012
vi
MOTTO DAN PERSEMBAHAN
Motto
1. "Apabila Anda berbuat kebaikan kepada orang lain, maka Anda telah
berbuat baik terhadap diri sendiri." (Benyamin Franklin)
2. "Orang-orang hebat di bidang apapun bukan baru bekerja karena mereka
terinspirasi, namun mereka menjadi terinspirasi karena mereka lebih suka
bekerja. Mereka tidak menyia-nyiakan waktu untuk menunggu inspirasi."
(Ernest Newman)
3. "Orang-orang yang sukses telah belajar membuat diri mereka melakukan
hal yang harus dikerjakan ketika hal itu memang harus dikerjakan, entah
mereka menyukainya atau tidak." (Aldus Huxley)
4. "Kebanyakan dari kita tidak mensyukuri apa yang sudah kita miliki, tetapi
kita selalu menyesali apa yang belum kita capai." (Schopenhauer)
5. "Musuh yang paling berbahaya di atas dunia ini adalah penakut dan
bimbang. Teman yang paling setia, hanyalah keberanian dan keyakinan
yang teguh." (Andrew Jackson)
6. "Sesuatu yang belum dikerjakan, seringkali tampak mustahil; kita baru
yakin kalau kita telah berhasil melakukannya dengan baik." (Evelyn
Underhill)
Persembahan
Skripsi ini saya persembahkan kepada:
1. Tuhan Yesus Kristus
2. Almamater UNNES yang selalu saya banggakan
3. Ayah, ibu, dan adik tercinta
4. Dosen pembimbing skripsi I dan II
5. Teman-teman yang selalu membantu dan
menyemangati
6. Keluarga mahasiswa Teknik Mesin S1 angkatan 2012
vii
SARI
Putra, F., Aji. 2018. Pengaruh Variasi Kemiringan Propeller terhadap Turbin
Ulir. Skripsi. Jurusan Teknik Mesin Universitas negeri Semarang. Dr.Ir. Basyirun,
S.Pd., M.T., IPP, dan Danang Dwi Saputro, S.T., M.T.
Kata kunci: Screw, Propeller, Sudut kemiringan, Debit aliran air, Efisiensi
Turbin ulir atau screw (archimedean turbine) merupakan salah satu
turbin dalam pembangkit listrik tenaga mikro hidro. Turbin ulir sangat berpotensi
digunakan untuk sumber energi listrik di Indonesia karena banyaknya jumlah
sumber-sumber air yang sebagian besar hanya memiliki debit yang kecil dan head
yang rendah. Tujuan penelitian ini yaitu untuk mengetahui seberapa besar
pengaruh sudut kemiringan propeller sebagai parameter kerja turbin terhadap
daya aliran, daya mekanis, dan efisiensi turbin.
Selanjutnya, data hasil pengujian disajikan dengan metode analisis
deskriptif. Metode analisis deskriptif dalam penelitian ini dilakukan dengan
pengujian dan pengamatan secara langsung pengaruh sudut kemiringan propeller
yang berbeda terhadap efisiensi turbin. Pengambilan data dilakukan dengan
mengalirkan air dengan variasi debit yang ditentukan menuju propeller turbin
dengan perubahan sudut kemiringan 250, 300, 350, dan 400. Tachometer digunakan
untuk mengetahui data putaran yang dihasilkan yang kemudian mencari data daya
mekanis, daya aliran, dan efisiensi menggunakan persamaan teoritis.
Pengujian pengaruh perubahan kemiringan sudut propeller terhadap
kinerja turbin yang meliputi daya aliran, daya mekanis, dan efisiensi pada variasi
debit aliran didapatkan hasil maksimal pada sudut 300. Kemiringan sudut
propeller tersebut menunjukkan optimalisasi desain turbin penelitian ini, dengan
nilai efisiensi mencapai 80,66% dengan masing-masing daya aliran dan daya
mekanis tertinggi sebesar 609,69 Watt dan 10242,22 Watt.
viii
PRAKATA
Segala puji syukur hanya bagi Tuhan Yesus Kristus, oleh anugerah-Nya yang
melimpah, kemurahan dan kasih setia yang besar akhirnya penulis dapat
menyelesaikan kegiatan penulisan skripsi dengan judul “PengaruhVariasi
Kemiringan Propeller Terhadap Efisiensi Turbin Ulir”. Penulis mengucapkan
terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dan memberikan
dukungannya dalam proses penulisan dan penyusunan proposal skripsi, yang
tidak dapat disebutkan satu persatu. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan
terima kasih kepada :
1. Rusiyanto, S.Pd., M.T. selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UNNES yang
telah memberikan fasilitas dalam menyelesaikan studi di jurusan Teknik Mesin
FT UNNES.
2. Samsudin Anis, S.T., M.Ph.D. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin S1
yang telah memberikan fasilitas dalam menyelesaikan studi di jurusan Teknik
Mesin FT UNNES.
3. Basyirun, S.Pd., M.T. dan Danang Dwi Saputro, S.T, M.T. selaku dosen
pembimbing skripsi yang selalu dengan sabar memberikan saran dan motivasi
dalam penulisan skripsi ini.
4. Ayah, dan Ibu, dan seluruh keluarga yang selalu mendoakan, memberikan
bantuan moral dan material dalam penyusunan skripsi ini.
5. Kepada semua pihak yang telah membantu penulis baik secara langsung
maupun tidak langsung, yang tidak dapat disebutkan satu-persatu.
ix
Karena banyaknya masalah dan hambatan yang terjadi, maka penulisan
skripsi ini jauh dari kata sempurna. Penulis memohon maaf atas
ketidasempurnaan penulisan agar segara dapat menuntaskan mata kuliah skripsi,
agar segera mendapat gelar Sarjana Teknik. Penulis harapkan kritik dan saran
yang bersifat membangun dari semua pihak guna untuk menyempurnakan
selanjutnya.
Kepada Tuhan segalanya kembali dan kesempurnaan hanya milik-Nya
dan semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi semua pihak, bagi penulis
khususnya dan pembaca pada umumnya
Semarang, 9 Mei 2019
Penulis
x
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ............................................................................... i
PERSETUJUAN PEMBIMBING ........................................................... ii
PERNYATAAN ....................................................................................... iii
PENGESAHAN........................................................................................ iv
MOTO DAN PERSEMBAHAN .............................................................. v
PRAKATA ............................................................................................... vii
SARI ......................................................................................................... ix
DAFTAR ISI ............................................................................................ xi
DAFTAR SINGKATAN dan LAMBANG .............................................. xv
DAFTAR TABEL .................................................................................... xvi
DAFTAR GAMBAR ................................................................................ xxx
DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................ xviii
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang ......................................................................... 1
1.2. Identifikasi Masalah ................................................................. 4
1.3. Pembatasan Masalah................................................................. 5
1.4. Rumusan Masalah .................................................................... 6
1.5. Tujuan Penelitian ...................................................................... 6
1.6. Manfaat Penelitian .................................................................... 7
BAB II KAJIAN PUSTAKA
2.1. Penelitian yang Relevan ............................................................ 7
2.1.1.Penelitian Mengenai Turbin Ulir ...................................... 7
2.1.2. Penelitian mengenai Turbin Screw dengan Parameter sudut
ulir ................................................................................ 7
2.2. Kajian Teori .............................................................................. 9
BAB III METODE PENELITIAN
3.1. Waktu dan Tempat Penelitian ................................................ 49
3.2. Desain Penelitian ................................................................... 52
xi
3.3. Alat dan Bahan Penelitian ......................................................... 53
3.4. Parameter Penelitian ................................................................. 53
3.5. Teknik Pengumpulan Data ........................................................ 53
3.6. Kalibrasi Instrumen .................................................................. 61
3.7. Teknik Analisis Data ................................................................ 62
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
4.1. Hasil Penelitian ....................................................................... 63
4.2. Pembahasan ............................................................................ 64
4.2.1. Perubahan Sudut Propeller ............................................. 64
4.2.2. Pengaruh Variasi Sudut terhadap Efisiensi Putaran
Turbin ........................................................................... 66
4.2.3. Perubahan Debit Air....................................................... 67
4.2.4. Pengaruh Debit Air terhadap Efisiensi Putaran Turbin.... 69
BAB V PENUTUP
5.1. Simpulan ................................................................................. 85
5.2. Saran ...................................................................................... 86
DAFTAR PUSTAKA ............................................................................... 87
LAMPIRAN ............................................................................................. 91
xii
DAFTAR SINGKATAN dan LAMBANG
Pw Daya aliran air
ρ Massa jenis air (kg/m3)
g Percepatan gravitasi (m/s2)
h Head (m)
Q Debit Aliran (m3/detik)
Pm Daya Mekanis (watt)
T Torsi propeller (Nm)
ω Kecepatan sudut propeller (m/s)
n Putaran propeller turbin (rpm)
η Efisiensi
xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Perbandingan Efisiensi Turbin Ulir dengan Turbin lainnya .......... 13
Tabel 2.2. Parameter Ulir Archimedes .......................................................... 14
Tabel 3.1. Data Penelitian ............................................................................ 27
Tabel 3.2. Pengambilan Data Penelitian ....................................................... 29
Tabel 3.3. Kalibrasi Flowmeter Air 15-50lpm .............................................. 30
Tabel 4.1. Data Perubahan Sudut terhadap Putaran Propeller yang dihasilkan pada
Debit Aliran yang berbeda ........................................................... 34
Tabel 4.2. Data Perubahan Sudut terhadap Torsi yang dihasilkan pada Debit
Aliran yang berbeda ..................................................................... 35
Tabel 4.3. Data Perubahan Sudut terhadap Daya Aliran yang dihasilkan pada
Debit Aliran yang berbeda ............................................................ 36
Tabel 4.4 Data Perubahan Sudut terhadap Daya Mekanis yang dihasilkan
pada Debit Aliran yang berbeda ................................................... 36
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Grafik Hasil Penelitian dengan Variasi Sudut terhadap Efisiensi
Turbin ...................................................................................... 8
Gambar 2.2. Grafik Efisiensi Putaran Maksimum Turbin dari Variasi Sudut
Propeller dan Variasi Debit Aliran .......................................... 9
Gambar 2.3 Bentuk Energi pada Aliran Air .................................................. 10
Gambar 2.4 Turbin Ulir ................................................................................ 12
Gambar 2.5. Skema Trigonometri nilai Head ............................................... 17
Gambar 3.1. Diagram Skematis Rangkaian Peralatan Eksperimen ................ 18
Gambar 3.2. Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian ....................................... 19
Gambar 3.3 Tangki Air yang Digunakan dalam Penelitian ........................... 20
Gambar 3.4. Pompa Air yang Digunakan dalam Penelitian .......................... 21
Gambar 3.5. Dimensi dan Rancangan Turbin Ulir Penelitian ........................ 22
Gambar 3.6. Pipa PVC Penelitian ................................................................. 23
Gambar 3.7. Model Roller Bearing NTN yang Digunakan ........................... 23
Gambar 3.8. Flowmeter Digital Penelitian .................................................... 24
Gambar 3.9. Tachometer dalam Penelitian ................................................... 25
Gambar 3.10. Katup Air tipe Ball Valve yang Digunakan dalam Penelitian .. 26
Gambar 3.11. Hubungan Debit Flowmeter Air dengan Debit Aktual ............ 31
Gambar 4.1 Grafik Perubahan Sudut Terhadap Putaran Turbin .................... 37
Gambar 4.2 Grafik Putaran Turbin Terhadap Debit Air ................................ 38
Gambar 4.3 Grafik Pengaruh Variasi Sudut Terhadap Putaran Turbin .......... 39
Gambar 4.4 Grafik Pengaruh Debit Air Terhadap Efisiensi Putaran Turbin .. 40
xv
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Data Putaran Propeller ............................................................. 49
Lampiran 2. Script Arduino .......................................................................... 50
Lampiran 3. Program pembuatan desain propeller turbin ulir ....................... 52
Lampiran 4. Trendline grafik ........................................................................ 57
1
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Turbin ulir atau screw (archimedean turbine) merupakan salah satu turbin
dalam pembangkit listrik tenaga mikro hidro. Turbin ulir sangat berpotensi
digunakan untuk sumber energi listrik di Indonesia karena banyaknya jumlah
sumber-sumber air yang sebagian besar hanya memiliki debit yang kecil dan head
yang rendah. Turbin ulir merupakan salah satu desain turbin yang dapat
menghasilkan efisiensi tinggi dari debit aliran dan head yang rendah. Pembuatan
turbin ulir juga tidak memerlukan biaya yang tinggi bila dibandingkan dengan
pembuatan turbin yang lain.
Havendri dan Arnif (2010: 274) menjelaskan beberapa keunggulan lain
yang dimiliki tur bin ulir yaitu, konstruksi bendungan dan pintu air yang
sederhana, tidak mengganggu ekosistem makhluk hidup, umur turbin lebih tahan
lama, mudah dalam perawatan dan pengoperasiannya, tidak membutuhkan draft
tube sehingga dapat mengurangi pengeluaran untuk penggalian dan pemasangan
draft tube, penggunaan unit peralatan standar dan generator standar dengan biaya
yang rendah, biaya pemeliharaan yang rendah.
Prinsip kerja turbin ulir merupakan pembalikan prinsip pada fungsi pompa
ulir. Pompa ulir bergerak untuk menaikkan air ke atas dari sungai, sedangkan
pembalikan fungsinya adalah membiarkan aliran dan berat air masuk kedalam dan
2
memutar turbin. Komponen pompa ulir yang berfungsi sebagai penggerak turbin
adalah dinamo, sedangkan dalam turbin ulir penggeraknya adalah air. Fungsi
dinamo pada turbin ulir digantikan oleh generator yang menghasilkan listrik hasil
putaran turbin. Secara teoritis turbin ulir memiliki efisiensi 90%, namun
kenyataan yang ada dilapangan turbin untuk pembangkit listrik efisiensinya tidak
mencapai 90%. Perbedaan efisiensi secara teoritis dan aktual dapat saja berbeda
dikarenakan data teoritis merupakan data ideal yang didapat menggunakan
persamaan atau variabel yang sudah diketahui yang umumnya berbeda dengan
data aktual. Selain itu, dalam fenomena aktual atau kondisi lapangan banyak
ditemukan faktor-faktor yang dapat mengurangi besar nilai data input contohnya
gesekan aliran yang umumnya diabaikan namun secara aktual ada dan dapat
mengurangi nilai yang didapat.
Penjelasan mengenai prinsip ulir tersebut memberikan gambaran dan
prediksi efisiensi turbin ulir yang dirancang. Beberapa perancangan turbin yang
telah dilakukan memberikan hasil yang berbeda-beda. Sumber air yang memiliki
head rendah atau bendungan yang hanya memanfaatkan ketinggian kontur tanah
menghasilkan volume dan aliran debit rendah. Ketinggian titik jatuh air dengan
debit aliran yang rendah dapat diaplikasikan menggunakan turbin ulir untuk
pembangkit listrik. Hal tersebut dikarenakan turbin ulir memiliki variasi
kemiringan propeller yang sesuai untuk debit aliran dan tinggi jatuh air yang
rendah, sehingga diperoleh efisiensi turbin yang maksimal.
Kraybill (2013: 11) melakukan penelitian terhadap desain turbin ulir
ditinjau dari variasi aliran dan putaran sudu turbin, dengan tujuan untuk
3
mengetahui efisiensi maksimal dari desain yang dirancang. Penelitian tersebut
memberikan hasil yang berbeda untuk masing-masing parameter dengan
kesimpulan bahwa untuk masing-masing desain penelitian memiliki profil yang
perlu disesuaikan dengan penggunaannya, sehingga didapatkan efisiensi yang
terbesar. Hasil yang menyerupai ditemukan oleh Lashofer, dkk (2012: 6) dimana
dalam penelitiannya terhadap struktur sudu turbin yang bekerja pada pembangkit
listrik dihitung setiap efisiensinya perlu disesuaikan kembali dengan parameter
turbin yang digunakan. Beberapa penelitian yang ada terhadap perbedaan struktur
dan parameter turbin memberikan kesimpulan secara umum salah satunya,
diameter luar ulir (screw) berbanding lurus dengan besar efisiensi. Sedangkan
dengan sudut kemiringan yang diberikan sebesar 26º-36º. Efisiensi turbin
didapatkan hasil paling kecil pada sudut 30º dikarenakan adanya penurunan debit
(low dischange). Sehingga peninjauan kembali terhadap kemiringan sudut
propeller sebagai salah satu parameter desain turbin perlu dilakukan agar efisiensi
maksimal didapat. Efisiensi maksimal yang dimaksud dalam penelitian ini adalah
perbandingan hasil putaran maksimal dengan volume debit yang sama dengan
kemiringan yang berbeda. Hal tersebut dikarenakan gaya tekan dari debit aliran
air akan menekan sesuai kemiringan propeller dan memberi gaya tekan yang
besar sehingga optimalisasi putaran turbin didapatkan.
1.2 Identifikasi Masalah
Seperti yang telah diketahui, efisiensi turbin ulir dipengaruhi oleh
beberapa faktor, salah satunya dari desain turbin. Desain turbin yang ada perlu
dikaji beradasarkan faktor eksternal yang diberikan seperti debit aliran, head
turbin, massa jenis fluida yang dialirakan. Faktor- faktor tersebut memberikan
4
gambaran, bahwa setiap rancangan turbin ulir perlu dioptimalkan untuk mencari
efisiensi terbaik rancangan turbin ulir yang dibuat melalui analisa data. Analisa
data yang dijadikan parameter seperti debit aliran, bentuk mangkuk sudu turbin
ulir, panjang propeller, dan sebagainya. Pada penelitian ini analisa data ditujukan
pada pengaruh perubahan sudut kemiringan propeller pada debit aliran yang
divariasikan karena analisa data yang dihasilkan dan dijadikan batasan
menentukan efisiensi lebih ringkas dan dapat ditinjau secara langsung melalui
pengamatan secara langsung. Selain itu, fenomena yang terjadi saat pengamatan
secara bersamaan juga dapat diketahui. Debit aliran air ini sangat mempengaruhi
kinerja dan efisiensi dari turbin ulir. Bila debit aliran air turun maka kecepatan
dan tekanan air yang melewati turbin ulir juga mengalami penurunan sehingga
mengakibatkan penurunan putaran turbin.
Kemiringan sudut propeller mempengaruhi efisiensi dari turbin ulir
tersebut. Tekanan dari aliran debit air mengikuti kemiringan sudut propeller,
sehingga secara tidak langsung perlu diketahui bagaimana pengaruh sudut
kemiringan sudut propeller terhadap konstruksi rancangan turbin dan debit aliran
yang akan diberikan. Semakin rendah kemiringan memberikan tekanan yang besar
pada sudu turbin ulir, namun semakin besar sudut kemiringan akan menghasilkan
energy loss yang besar, sehingga perlu dicari besar kemiringan sudut propeller
optimal untuk mendapatakan efisiensi rancangan turbin terbesar.
5
1.3 Pembatasan Masalah
Batasan masalah dalam penentuan efisiensi turbin ulir ini adalah untuk
menyederhanakan parameter-parameter yang digunakan. Masalah yang dibatasi
dalam penelitian ini yaitu pada:
1. Kemiringan sudut propeller diatur pada sudut 250, 300, 350, dan 400.
2. Debit aliran diatur pada 15-50 lpm dengan selisih peningkatan 5 lpm.
3. Analisis kinerja turbin yang ditinjau dalam penelitian yaitu terhadap putaran
yang dihasilkan, torsi turbin, daya aliran, daya mekanis, dan efisiensi turbin.
1.4 Rumusan Masalah
Berdasarkan uraian pada batasan masalah, maka masalah utama yang akan
dikaji dalam penelitian ini adalah mengetahui model rancangan turbin ulir, karena
adanya variasi kemiringan sudut turbin di dalam efisiensi turbin ulir.
Permasalahan tersebut diperjelas berdasarkan penjabaran pada rumusan masalah
yang disusun dalam penelitian, diantaranya :
1. Seberapa besar pengaruh variasi kemiringan sudut propeller terhadap daya
aliran turbin ulir.
2. Seberapa besar pengaruh variasi kemiringan sudut propeller terhadap daya
mekanis turbin ulir.
3. Seberapa besar pengaruh variasi kemiringan sudut propeller terhadap efisiensi
turbin ulir.
1.5 Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk :
1. Untuk mengetahui seberapa besar pengaruh variasi kemiringan sudut propeller
terhadap daya aliran turbin ulir.
6
2. Untuk mengetahui seberapa besar pengaruh variasi kemiringan sudut propeller
terhadap daya mekanis turbin ulir.
3. Untuk mengetahui seberapa besar pengaruh variasi kemiringan sudut propeller
terhadap efisiensi turbin ulir.
1.6 Manfaat Penelitian
Perancangan yang berjudul “Pengaruh Variasi Kemiringan Propeler
Terhadap Efisiensi Turbin Ulir” dapat memberikan pemahaman lebih baik dalam
bidang pembangkit listrik tenaga mikrohidro khususnya dalam bidang turbin ulir,
sehingga nantinya akan berlanjut pada pengembangan model rancangan turbin
uliryang lebih baik. Selain itu, dari penulisan skripsi ini diharapkan mampu untuk
menjadi pembanding dalam pengukuran efisiensi turbin ulir, sehingga
memberikan kontribusi yang paling efektif dalam pemanfaatan debit aliran air
sungai dan tinggi rendah kontur tanah sertamampu dikonversi menjadi aliran
listrik secara maksimal.
7
BAB II
KAJIAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI
2.1. Penelitian yang Relevan
2.1.1 Parameter turbin ulir
Karakteristik turbin ulir yaitu dapat menghasilkan efisiensi tinggi dari
debit aliran dan head rendah dengan memanfaatkan desain yang dimiliki.
Karakteristik tersebut memberikan pengertian bahwa turbin memilliki nilai
optimal tertentu sesuai desainnya. Salah satu acuan yang dapat dilakukan guna
menemukan nilai optimal turbin yaitu memberikan variasi perlakuan yang
berbeda-beda untuk setiap parameter yang dimiliki turbin.
Rorres (2000 : 73) yang mendesain putaran turbin archimedes screw untuk
mendapatkan hasil yang optimal dengan menggunakan parameter luar (jari-jari
luar, panjang dan kemiringan) dan menggunakan parameter dalam (jari-jari dalam,
jumlah bilah dan puncak ulir). Muller dan Senior (2009 : 667) merancang desain
berdasarkan perbedaan ketinggian, panjang keseluruhan, jumlah putaran bilah dan
panjang horizontal turbin yang terkan air terhadap efisiensi archimedes screw.
Kedua tinjauan pusataka tersebut memberikan simpulan bahwa parameter yang
diberikan turbin berpengaruh pada output yang dihasilkan nantinya, begitu pula
parameter yang diberikan pada turbin yang dirancang dalam penelitian ini yaitu
perlakuan yang diberikan pada sudut kemiringan propeller dan debit aliran.
2.1.2 Penelitian mengenai Turbin Screw dengan parameter sudut ulir
Sebagai pemanfaatan sumber energi air sebagai energi terbarukan, turbin
scew dapat dijadikan referensi dan dimanfaatkan khususnya untuk aliran air
8
dengan head rendah. Havendri dan Arnif ( 2010: 275) dalam penelitiannya pada
optimalisasi turbin ulir dengan penentuan sudut ulir. Penelitian ini menggunakan
metode eksperimental, yaitu dengan melakukan serangkaian pengujian
performansi turbin ulir untuk ketinggian head 1,1 m dengan mengunakan masing-
masing 3 prototipe turbin ulir dengan sudut ulir terhadap turbin screw yang
memiliki sudut ulir yang divariasikan sebesar 230, 260dan 290. Hasil yang didapat
dari perbedaan sudut ulir terhadap efisiensi turbin pada penelitian tersebut
ditunjukkan pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1. Grafik Hasil Penelitian dengan Variasi Sudut terhadap
Efisiensi Turbin
(Sumber: Havendri dan Arnif, 2010: 276)
Grafik pada Gambar 2.1 menjelaskan bahwa bahwa sudut ulir pada
prototipe turbin ulir berpengaruh pada efisiensi turbin. Efisiensi daya input pada
suatu turbin ulir akan meningkat dengan kenaikan debit aliran yang diberikan.
Menurut Lashofer dkk. (2012: 2) penelitian dilakukan untuk mengetahui
efisiensi (η) putaran yang dihasilkan dari propeller turbin ulir pada variasi
kemiringan sudu turbin (tilt angle) pada 260-360 pada debit aliran yang
divariasikan. Hasil yang didapat untuk variasi sudut turbin ditunjukkan pada
Gambar 2.2 dengan hasil efisiensi putaran turbin maksimum mencapai angka 80%
9
pada debit aliran 11l/s pada sudut 260 dengan perubahan efisiensi yang bervariasi
baik penurunan maupun peningkatan seiring peningkatan sudut propeller.
Gambar 2.2. Grafik Efisiensi Putaran Maksimum Turbin dari Variasi
Sudut Propeller dan Variasi Debit Aliran
(Sumber: Lashofer dkk. 2012: 6)
2.2. Kajian Teori
2.2.1 Teori Dasar Aliran
Salah satu parameter yang digunakan untuk menentukan efisiensi turbin
yaitu daya aliran air. Sejatinya air mengalir dari daerah yang tinggi menuju daerah
yang lebih rendah baik melalui media atau tidak, baik melalui lintasan lurus atau
miring yang teentunya dapat mempengaruhi aliran air. Air yang mengalir tersebut
mengandung energi. Melalui sebuah turbin, aliran air tersebut dapat digunakan
untuk menggerakkan roda turbin. Konsep tersebut lantas diterapkan dan pusat-
pusat tenaga air dibangun di sungai dan di pegunungan. Pusat tenaga air tersebut
dapat dibedakan menjadi dua golongan, yaitu pusat tenaga air tekanan tinggi dan
pusat tenaga air tekanan rendah. Pembangunan bendungan di daerah yang lebih
tinggi sebagai reservoir. Menggunakan instalasi seperti pipa maka air dari
reservoir tersebut dialirkan ke rumah pusat tenaga yang dibangun di daerah hilir,
10
dengan demikian rangkaian konversi tenaga aliran menjadi energi listrik dapat
dioperasikan.
Gambar 2.3. Bentuk Energi pada Aliran Air
Prinsip kerja turbin sebagai pengkonversi energi debit aliran air menjadi
energi listrik. Hal tersebut menjelaskan jika energi debit aliran air dapat diubah
menjadi bentuk energi yang lainnya. Dietzel (1980: 4) menyatakan bahwa, bentuk
energi dalam debit aliran air dapat dibagi menjadi 4 bentuk, antara lain :
1. Energi Kinetik Fluida merupakan bentuk energi yang dimiliki oleh fluida
dengan massa m (kg) dan kecepatan v (m/s) yang dapat diartikan
Ek = m.v² ............................................................................................. (2.1)
2. Energi Potensial Fluida merupakan bentuk energi yang dimiliki oleh fluida
dengan massa m (kg), energi yang timbul disebabkan oleh pengaruh dari gaya
gravitasi bumi g (m/s²) yang dapat diartikan
Ep = m.g.h ................................................................................................ (2.2)
11
3. Energi Tekanan merupakan bentuk energi yang disebabkan oleh adanya gaya
yang diberikan oleh unit massa fluida dengan massa jenis (ρ) pada suatu bidang
yang dapat diartikan
Et = m. ................................................................................................... (2.3)
4. Energi Dalam merupakan bentuk energi yang dimiliki oleh fluida yang
besarnya dipengaruhi oleh temperatur dan tekanan fluida itu sendiri, yang
dapat diartikan
δ Ԛ = δ U+δ pv ...................................................................................... (2.4)
Pada instalasi turbin air hanya terdapat adanya perbedaan tinggi sir yang masuk
dan keluar, hal ini terjadi karena perbedaan ketinggian dari permukaan air akibat
perubahan aliran air. sehingga energi dalam dapat diabaikan dalam perhitungan,
karena energi dalam tidak akan memberi efek yang besar terhadap kerja mesin
fluida (δU=0). Dimana energi aliran debit air akan berubah bentuk dalam head
atau ketinggian.
2.2.1.1 Turbin Ulir
Archimedean screw adalah jenis ulir yang telah dikenal sejak jaman kuno
dan telah digunakan sebagai pompa untuk pengairan pada taman gantung
Babylonia. Pada jaman dahulu pompa ini sangat akrab dikalangan insinyur-
insinyur romawi. Tujuan awal pompa ini diciptakan oleh Archimedes adalah
untuk mengeluarkan air yang berada di sungai dengan menaikkan air tersebut.
Seiring dengan waktu berlalu di dunia timbul krisis energi dan terbatasnya potensi
turbin air karena hanya dapat mengandalkan aliran debit air yang tinggi. Pompa
berputar terbalik dan membiarkan air mengendalikan pompa, kemudian diatas
12
pompa dipasang generator. Sehingga aliran debit air yang melewati pompa
tersebut menggerakan pompa dan memutar poros generator.
Gambar 2.4. Turbin Ulir
(Sumber: Katalog Spaans Babcock, 2015: 5)
Prinsip turbin ulir pada dasarnya pembalikan dari fungsi pompa ulir
tersebut. Dimana tekanan dari aliran debit air yang melalui bilah-bilah sudu turbin
mengalami penurunan tekanan sejalan dengan penurunan kecepatan air akibat
adanya hambatan dari bilah-bilah sudu turbin. Maka tekanan ini akan memutar
turbin dan menggerakkan generator listrik. Sebelum daya putaran poros
ditransmisikan melalui gearbox (Havendri dan Arnif, 2010: 274).
Turbin memiliki beberapa tipe yaitu Archimedes, Kaplan, Francis dan
Banki. Jenis dan tipe turbin tersebut memiliki kelebihan dan kekurangan tersendiri
sehingga penggunaannya tergantung dari situasi dan kondisi di lapangan. Dalam
segi efisiensi turbin, penggunaan yang paling tepat adalah menggunakan turbin
jenis Archimedes, karena dalam tipe ini memiliki tingkat efisiensi yang tinggi
(Tabel 2.1).
13
Tabel 2.1. Perbandingan Efisiensi Turbin Ulir dengan Turbin lainnya.
Water Engine Filling
Water Engine
Type
10
%
20
%
30
%
40
%
50
%
60
%
70
%
80
%
90
%
100
%
Archimedean
Screw 25 74 77 79 82 83 84 85 86 87
Kaplan Turbine 15 70 85 88 90 90 90 90 88 85
Francis Turbine - - 15 58 72 78 82 82 82 80
Banki Turbine - 40 60 68 72 74 75 74 72 70
Water Engine Efficiency (%)
Turbin Archimedes memiliki tingkat efisiensi yang tinggi sehingga sering
digunakan dalam penelitian ataupun di PLTA (Pembangkit Listrik Tenaga Air).
Karena turbin jenis ini dapat mengahasilkan daya maksimal dengan suplai debit
aliran yang kecil, turbin Archimedes sendiri memiliki beberapa parameter yang
dapat digunakan untuk memaksimalkan daya yang dihasilkan (Tabel 2.2).
Tabel 2.2 Parameter Ulir Archimedes Number
of Blade
N (1)
Optimal
Radius Ratio
ρ* (2)
Optimal
Pitch Ratio
λ* (3)
Optimal Volume
Per-Turn Ratio
λ*v(N,ρ*,λ*) (4)
Optimal
Volume Ratio
v(N,ρ*,λ*) (5)
1 0,5358 0,1285 0,0361 0,2811
2 0,5369 0,1863 0,0512 0,2747
3 0,5357 0,2217 0,0595 0,2697
4 0,5353 0,2456 0,0655 0,2667
5 0,5352 0,263 0,0696 0,2647
6 0,5353 0,2763 0,0727 0,2631
7 0,5354 0,2869 0,0752 0,2619
8 0,5354 0,2957 0,0771 0,2609
9 0,5356 0,3029 0,0788 0,2601
10 0,5356 0,3092 0,0802 0,2592
11 0,5358 0,3145 0,0813 0,2586
12 0,536 0,3193 0,0824 0,258
13 0,536 0,3234 0,0833 0,2574
14 0,536 0,327 0,0841 0,2571
15 0,5364 0,3303 0,0848 0,2567
16 0,5362 0,3333 0,0854 0,2562
17 0,5362 0,3364 0,086 0,2556
18 0,5368 0,338 0,0865 0,2559
14
Number of Blade
N
(1)
Optimal Radius Ratio
ρ*
(2)
Optimal Pitch Ratio
λ*
(3)
Optimal Volume Per-Turn Ratio
λ*v(N,ρ*,λ*)
(4)
Optimal Volume Ratio
v(N,ρ*,λ*)
(5)
- - - - -
- - - - -
- - - - -
20 0,5394 0,3953 0,0977 0,2471
Sumber : Rorres (2000 : 76)
Kelebihan yang dimiliki oleh turbin ulir apabila dibandingkan dengan
macam-macam turbin yang ada, antara lain:
1. Konstruksi rancangan untuk bendungan dan pintu air yang sederhana sehingga
membuat biaya konstruksinya menjadi efisien.
2. Putaran rendah pada turbin ulir membuat umur turbin lebih lama.
3. Dapat bergerak dengan variasi debit yang besar dan sangat baik untuk debit
yang kecil sehingga efisiensi yang didapatkan tinggi.
4. Tidak mengganggu ekosistem di perairan dan sungai.
5. Mudah untuk pengoperasiannya dan pemeliharaannya
6. Penggunaan unit peralatan standar dan generator standar dengan biaya rendah.
2.2.1.2 Perhitungan daya dan efisiensi turbin
1. Persamaan daya air dan daya mekanis putaran turbin
Daya yang dihasilkan oleh aliran air dapat dinyatakan dengan persamaan
berikut ini.
PW = η.ρ.g.Q.h ...................................................................................... (2.5)
Dimana:
Pw : Daya aliran air (Watt)
Q : Debit (m3/s)
15
η : Efisiensi turbin ulir (%)
ρ : Massa jenis air (kg/m3)
g : Percepatan gravitasi (m/s2)
h : Head (m)
Sedangkan daya mekanis turbin merupakan daya yang dihasilkan dari putaran
turbin yang dapat dicari dengan menggunakan persamaan menurut Harja,
Abdurrahim (2014) :
PM = Tω ................................................................................................. (2.6)
= T.
Ftotal = Fm tan + Fhyd tan
Fm tan = Fm sinӨ sinγ
= ρ . V . g . sinӨ . sinγ
= ρ . V . g . sinӨ .
Fhyd tan = . ρ . g
hu = Δd + d0
hd = d0
Δd =
m =
16
Λ* =
K = tanӨ
Fhyd tan = Fhyd
T = (Fm . tan + Fhyd tan) . r ..................................................................... (2.7)
Dimana :
T : Torsi propeller (Nm)
Ω : kecepatan sudut propeller (m/s)
n : putaran propeller turbin (rpm)
r : Radius (m)
Fm tan : gaya berat arah aksial (N)
Fhyd tan : gaya tangensial hydrostatis fluida (N)
H : ketinggian (m)
2. Mencari head efektif
Untuk mendapatkan head efektif turbin ulir maka perlu dicari kemiringan
sudut (α) pada Gambar 2.3 didapatkan persamaan trigonometri sebagai berikut.
=
Karena propeller turbin memiliki panjang L 1,1 m, maka nilai L
disubstitusikan.
H =
=
17
H = sinα . 1,1 ....................................................................................... (2.8)
Gambar 2.5. Skema Trigonometri nilai Head (Rorres 2000 : 73)
3. Kemiringan dan persamaan efisiensi pada turbin
Menurut Erinofiardi, Nuramal, A., Bismantolo, P., dkk 110 (2017 : 13)
Menyimpulkan bahwa efisiensi tertinggi turbin terjadi pada sudut kemiringan 220-
300. Efisiensi merupakan perbandingan daya awal dengan daya akhir yang
dihasilkan. Untuk efisiensi turbin maka dapat dapat dicari menggunakan
persamaan (2.9).
ηm = ........................................................................................................ (2.9)
Dimana :
Pw : Daya aliran air didapat dari persamaan (2.5)
Pm : Daya putaran didapat dari persamaan (2.6)
46
BAB V
PENUTUPAN
5.1 Simpulan
Berdasarkan hasil dan pembahasan penelitian, maka penelitian ini dapat
disimpulkan sebagai berikut :
1. Nilai daya aliran tertinggi didapatkan dari debit aliran 50 lpm dengan
kemiringan sudut propeller 400 yaitu sebesar 145 Watt. Fenomena yang terjadi
sendiri untuk daya aliran semakin meningkat seiring bertambahnya sudut
propeller.
2. Nilai daya mekanis tertinggi didapatkan pada kemiringan sudut propeller 300
dengan debit aliran 50 lpm yaitu sebesar 10242,22 Watt. Berdasarkan data dan
grafik secara umum daya mekanis berkurang seiring bertambahnya sudut
kemiringan. Karena energy loss yang besar saat sudut kemiringan bertambah,
namun untuk setiap desain screw memiliki sudut optimal masing-masing dan
pada penelitian ini sudut optimal berada pada sudut 300.
3. Efisiensi tertinggi turbin screw penelitian ini mencapai 80,66 % yaitu pada
sudut kemiringan propeller 300 dengan debit aliran 50 lpm.
5.2 Saran
Saran yang dapat diberikan penulis sehingga dapat dikembangkan pada
penelitian selanjutnya adalah sebagai berikut :
47
1. Penambahan alat ukur torsi yaitu pony brake diperlukan untuk mengetahui
besar torsi actual pada turbin saat penelitian dan diberi perlakuan variasi sudut
dan turbin, sehingga nilai torsi tidak hanya diketahui secara teoritis namun juga
secara actual yang selanjutnya kedua data tersebut dapat dijadikan
perbandingan dan patokan data basis penelitian selanjutnya.
2. Variasi sudut turbin sebagai optimalisasi setiap desain turbin berbeda-beda,
sehingga peninjauan terhadap sudut propeller perlu dilakukan bahkan dengan
debit aliran yang berbeda. Hal inilah yang mendasari dilakukannya penelitian
ini. Selain sebagai referensi namun juga untuk mengetahui desain dan
parameter yang dibutuhkan guna mengoptimalisasi perancangan turbin ulir
yang telah didesain sedemikian rupa.
3. Perlu dilakukan kalibrasi alat penghitung debit air sebelum melakukan
penelitian karena akan mempengaruhi akurasi data dari proses pengujian.
48
DAFTAR PUSTAKA
Dietzel, F. 1980. Turbinen, Pumped Und Verdichter. Vogel-Verlag, Wurzburg.
Terjemahan Sriyono, D. Turbin Pompa dan Kompresor. Erlangga. Jakarta.
Erinofiardi, A. Nuramal, P. Bismantolo, A. Date, A. Akbarzadeh, A. K. Mainil,
dkk. 2017. Experimental Study of Screw Turbine Performance Based on
Different Angle of Inclination. Energy Procedia 110:8-13.
Harja, H., B., H. Abdurrahim, S. Yoewono, H. Riyanto. 2014. Penentuan Dimensi
Sudu Turbin dan Sudut Kemiringan Poros Turbin Pada Turbin Ulir
Archimedes. METAL INDONESIA 36(1) Juni 2014.
Havendri, A., dan I., Arnif. 2010. Kaji Eksperimental Penentuan Sudut Ulir
Optimum Pada Turbin Ulir Untuk Data Perancangan Turbin Ulir Pada Pusat
Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) dengan Head Rendah. Seminar
Nasional Tahunan Teknik Mesin 9, 274–278.
Havendri, A., dan H., Lius. 2009. Perancangan dan Realisasi Model Prototipe
Turbin Air Type Screw ( Archimedean Turbine ) Untuk Pembangkit Listrik
Tenaga Mikrohidro Dengan Head Rendah di Indonesia. Journal of
Environmental Science and Engineering 2(31): 1–7.
Kibel, P., dan T., Coe. 2009. Castleford Mill Hydro Power Proposal River Aire-
Fisheries Assesment. Fishtek Consulting Ltd. UK.
Kraybill, Z. 2013. Structural Analysis of An Archimedes Screw and A Kinetic
Hydro Turbine. Thesis. Lehigh University: Lehigh Preserve.
Lashofer, A., W,. Hawle. I., Kampel. F., Kaltenberger. B., Pelikan. 2012. State Of
Technology and Design Guidelines For The Archimedes Screw Turbine.
Muller, G., dan J., Senior. 2009. Simplified Theory of Archimedean Screws.
Journal of Hydraulic 47(5): 666-669.
Rohmer, J., D., Knittel, G., Sturtzer, D., Flieller, J., Renaud. 2016. Modeling and
experimental results of an Archimedes screw turbine. Renewable Energy
94:136–146. https://doi.org/10.1016/j.renene.2016.03.044
Rorres, C. 2000. The Turn of The Screw: Optimal Design of An Archimedes
Screw. Journal of Hydraulic Engineering 80: 72-80.
Songin, K. (2017). Experimental Analysis of Archimedes Screw Turbines.
Thesis. University of Guelph. Ontario. Canada
49
Spaans Babcock. 2010. Archimedean Screw Turbine Catalogue. Netherlands:
Spaans Babcock
Stergiopoulou, A., dan Stergiopoulos, V., 2012. Quo Vadis Archimedean
Turbines Nowadays in Greece in the Era of Transition. Journal of
Environmental Science and Engineering.
Yulistiyanto, B., H., Yul, Lisdiyanti. 2012. Pengaruh Debit Aliran dan
Kemiringan Poros Turbin Ulir Pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikro-hidro.
Dinamika TEKNIK SIPIL, 12(1), 1–5.