Kelas: 3IB01A
Tugas 1 Softskill : Perancangan Elektrik
RANCANG BANGUN TURBIN
PELTON UNTUK SISTEM
PEMBANGKIT LISTRIK
TENAGA MIKRO-HIDRO DENGAN
VARIASI
BENTUK SUDU
ABSTRAK
Pada
umumnya Turbin Pelton
mempunyai bentuk Sudu
Mangkok sedemikian rupa.
Maka pada kesempatasn ini dibuatlah
bentuk sudu yang berbeda, yaitu bentuk
Sudu Silinder Tertutup
Dibelah Dua. Pembuatan
Turbin Pelton untuk sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikro-Hidro (PLTMH) dengan bentuk Sudu
Silinder Tertutup Dibelah Dua mempunyai tujuan apakah efisiensi dan daya yang
dihasilkan turbin serta
generator dimungkinkan dapat
meningkat. Selain itu memberikan pemahaman yang jelas tentang
pembangkit listrik tenaga mikrohidro dari energi potensial fluida menjadi
energi listrik. Metode yang digunakan oleh penulis dalam penelitian ini adalah
metode studi lapangan, metode perancangan, metode pembuatan,
serta metode pengujian.
Dalam pengujian ini
dilakukan perbandingan antara
sudu mangkok dan Sudu Silinder Tertutup Dibelah Dua. Pada putaran yang
sama 1500 Rpm dimana tegangan
dipertahankan 220 Volt, maka Sudu Mangkok
menghasilkan Daya Hidrolik;
Ph = 685,33 Watt,
Daya kinetik; Pk =
627,69 Watt, Daya Turbin; Pt =
612,49 Watt dan Daya Generator; Pg =
189,17 Watt. Sedangkan untuk Sudu Silinder Dibelah Dua daya maksimal yang
dihasilkan ; Ph = 742,40
Watt, Pk = 627,52 Watt, Pt = 612,97 Watt, dan Pg = 206,77 Watt. Untuk efisiensi, nilai
tertinggi pada Sudu Silinder Dibelah Dua, yaitu 97,67 % selisih 0,1 % lebih
besar untuk Efisiensi Turbin dan 27,85 % selisih 0,83 % lebih besar untuk Efisiensi Sistem. Dengan demikian sudu dengan
bentuk Sudu Silinder Dibelah Dua
lebih efisien digunakan untuk PLMH.
Kata Kunci : Sisitem Pembagkit
Tenaga, Turbin Pelton, Efisiensi, Sudu Mangkok,
Sudu Silinder Dibelah Dua.
PENDAHULUAN
Salah satu pembangkit listrik tenaga air yang digunakan untuk
memanfaatkan
tenaga air dan
yang bisa dibuat
adalah turbin air.
Salah satu peralatan pokok dalam
suatu pembangkitan listrik tenaga air ialah turbin air Pelton yang berfungsi
mengubah Energi Potensial berupa energi kecepatan oleh Nozel
menjadi Energi Mekanik berupa putaran
pada poros turbin, untuk mendapatkan Energi Listrik maka poros turbin
dikopel dengan generator. Dengan melihat latar belakang tersebut
kami membuat simulasi
Pembangkit Listrik Tenaga
Mikro- Hidro (PLTMH) dengan bentuk sudu yang berbeda yaitu Sudu Silinder
Tertutup Dibelah Dua. Didasari
dengan alasan diatas pembuatan simulasi
PLTMH mempunyai tujuan utama, yaitu membandingkan karakteristik daya dan
efisiensi kedua sudu tersebut
pada turbin serta
dari generator. Diharapkan dengan penelitian ini masyarakat
pada umumnya bisa menggunakan jenis sudu ini karena dilihat dari kontruksinya
lebih mudah pengerjaannya.
METODE PENELITIAN
Waktu pembuatan simulasi sampai dengan
penelitian adalah 6 bulan (Maret- Agustus
2005). Sedang tempat
pengujian berada di
Laboratorium Teknik Konversi Energi
Politeknik Negeri Semarang.
Metode yang digunakan
dalam pembuatan penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Metode
Studi Lapangan
Melaksakan
pengujian dan observasi
secara langsung dari
pompa untuk mengetahui head
dan debit, serta
merancang dan membuat
instalasi dari PLTMH. Selain
itu dilakukan peninjauan bentuk sudu
dimana perhitungan sudu digunakan sebagai dasar
untuk menghitung kekuatan pemilihan bahan melalui leteratur yang
berhubungan dengan PLTMH.
2. Metode
Perancangan
Dengan cara
merencanakan segala sesuatu
yang terkait dalam
pembuatan Turbin Pelton ini misalnya perhitungan dimensi, kekuatan
bahan dan jenis bahan yang digunakan.
3. Metode
Pembuatan
Pelaksaan
pembuatan simulasi ini
melibatkan proses-proses pengerjaan pengecoran, pemotongan, pengeboran, penyambungan, dan
lainnya dengan menggunakan kikir,
gerinda, mesin-mesin perkakas,
dan alat-alat penunjang lainnya hingga sampai proses finising.
4. Metode
Pengujian
Metode pengujian meliputi pelaksanan pengambilan data,
pengolahan data, dan analisa hasil data pengujian dari hasil pembuatan PLTMH.
Dasar perhitungan pembuatan sudu :
1. Kecepatan
nominal Runner ; v (m/det)
v = 0,44 (
2.g.H )........................................................ (Modi &
Seith, 1979 ; 975)
Dimana H = Head
total pompa (m)
2. Diameter
nominal turbin; Dt (m)
D
t = 60
.v ...........................................................
(Sunarto & Einsering, 1994 ; 09) π.n
.v ...........................................................
(Sunarto & Einsering, 1994 ; 09) π.n
Dimana n =
Kecepatan putran turbin (Rpm)
3. Jumlah
sudu ; Z
Z = 5,4 Dd nt
.................................................................
(Modi & Seith, 1979 ; 976)
Dimana dn = Diameter pancaran Nozel (m)
4. Lebar
sudu ; Bs (mm)
Bs =(
4 – 5 ) x dn ..........................................................................................(Modi & Seith, 1979 ; 976)
5. Kedalaman
mangkok ; Cs (mm)
Cs = ( 0,81 – 1,05 ) x dn ........................................................................(Modi & Seith, 1979 ; 976)
6. Lebar
bukaan mangkok ; M (mm)
M = ( 1,1 – 1,25 ) x dn .............................................................................(Modi & Seith, 1979 ; 976)
7. Panjang
sudu ; Ls (mm)
Ls = ( 2,4 – 3,2 ) x dn ................................................................................(Modi & Seith, 1979 ; 976)
8. Jarak
pusat pancaran jet ke ujung sudu ; l (mm)
l = ( 1,2 – 1,9 ) x dn ...................................................................................(Modi & Seith, 1979 ; 976)
Gambar
1. Desain Dimensi Sudu.
Data yang diperlukan
dalam pengujian ini adalah :
1. Beda
tekanan pada orifismeter.
2. Tekanan
discharge pompa.
3. Tekanan
input Nozel.
4. Besarnya
arus yang mengalir saat pembebanan pada generator.
5. Besarnya
nilai putaran generator.
6. Besarnya
nilai tegangan generator.
7. Suhu
air pada saat pengujian.
Peralatan yang digunakan
untuk pengujian simulasi
PLTMH dengan Turbin Pelton Silinder Dibelah Dua yaitu :
1. Simulasi
turbin dan perlengkapannya.
2. Beban
berupa lampu pijar Secukupnya
3. Voltmeter
1 buah 4. Amperemeter 1 buah
5. Tachometer
1 buah
6. Termometer
1 buah
7. Manometer
pipa U 1 buah
8. Kabel
Banana Secukupnya
9. Kabel
Spadle Secukupnya
Langkah-langkah pengujian :
1. Persiapkan
Simulasi PLTMH dengan Turbin Silinder Tertutup Dibelah Dua dan perlengkapannya.
2. Lakukan
pengecekan alat-alat yang akan digunakan dalam pengambilan data.
3. Buat
tabel untuk mencatat hasil pengujian.
4. Ukur
temperatur air.
5. Persiapkan
Pompa dan perlengkapannya.
6. Hidupkan
pompa dengan meng-On-kan saklar
kemudian tarik handle pada motor bensin sampai pompa hidup.
7. Buka
katup-katup Manometer Pipa U manometer input Nozel.
8. Buka
katup buangan / bypass agar tekanan pada pipa tidak terlalu tinggi akibat
tekanan output air pada pompa.
9. Buka katup
masukan Nozel, sehingga
air akan menumbuk
sudu dan mengakibatkan runner berputar.
10. Sambil mengatur
bukaan katup, tambah
gas untuk pompa
dengan cara menggeser tuas gas searah jarum jam sampai gas setengah
penuh, apabila putaran masih belum 1500 Rpm maka gas ditambah hingga putaran mencapai 1500 Rpm dan
pada generator menunjukkan tegangan sampai 220 Volt.
11. Catat
nilai penunjukkan Tachometer, Amperemeter, Voltmeter, Manometer input Nosel,
dan Manometer Pipa U (∆x).
12. Berikan
variasi beban dengan menggunakan lampu pijar pada generator maka
putarannya akan turun, atur bukaan katup
sehingga penunjukkan voltmeter kostan pada nilai 220 Volt catat nilai parameter
seperti nomor 11.
13. Setelah
data didapat, turunkan beban lampu pijar secara satu persatu, diiringi dengan
penutupan katup sampai turbin berhenti dan kurangi gas pada motor bensin
bersamaan penutupan katup.
14. Setelah
itu katup tutup penuh dan matikan pompa dengan penggerak motor bensin dengan
meng-Off-kan saklar pada motor bensin.
15. Lepas
peralatan dan kembalikan peralatan ke tempat semula.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil pengujian
Tabel 1. Pengujian Sudu Mangkok
|
No
|
Lampu
( W )
|
n
(Rpm)
|
Tegangan
(V)
|
Arus
(A)
|
P
( Kgf/cm2 )
|
Δx
(cm)
|
Torsi
(Nm)
|
|
1
|
0
|
1500
|
220
|
0
|
1,1
|
17
|
0,78
|
|
2
|
25
|
1500
|
220
|
0,1
|
1,1
|
17,5
|
0,86
|
|
3
|
50
|
1500
|
220
|
0,21
|
1,2
|
18
|
1,06
|
|
4
|
75
|
1500
|
220
|
0,32
|
1,2
|
18,5
|
1,24
|
|
5
|
100
|
1500
|
220
|
0,42
|
1,2
|
19
|
1,41
|
|
6
|
125
|
1500
|
220
|
0,52
|
1,3
|
20
|
1,58
|
|
7
|
150
|
1500
|
220
|
0,64
|
1,4
|
21
|
1,77
|
|
8
|
175
|
1500
|
220
|
0,75
|
1,4
|
22
|
1,99
|
|
9
|
200
|
1500
|
220
|
0,86
|
1,4
|
22,5
|
2,2
|
Tabel 2. Pengujian Sudu Silinder Dibelah Dua
|
No
|
Lampu
( W )
|
n
(Rpm)
|
Tegangan (V)
|
Arus (A)
|
P (Kgf/cm2)
|
Δx (cm)
|
Torsi (Nm)
|
|
1
|
0
|
1500
|
220
|
0
|
1,05
|
16
|
0,35
|
|
2
|
25
|
1500
|
220
|
0,11
|
1,1
|
17
|
0,94
|
|
3
|
50
|
1500
|
220
|
0,21
|
1,2
|
17,5
|
1,1
|
|
4
|
75
|
1500
|
220
|
0,32
|
1,2
|
18,5
|
1,29
|
|
5
|
100
|
1500
|
220
|
0,43
|
1,3
|
19,5
|
1,48
|
|
6
|
125
|
1500
|
220
|
0,54
|
1,3
|
20
|
1,65
|
|
7
|
150
|
1500
|
220
|
0,65
|
1,4
|
21
|
1,85
|
|
8
|
175
|
1500
|
220
|
0,75
|
1,45
|
22,5
|
2,04
|
|
9
|
200
|
1500
|
220
|
0,86
|
1,5
|
23
|
2,21
|
Pengujian yang diperoleh seperti pada tabel hasil pengujian
selanjutnya diolah melalui perhitungan
untuk memperoleh besarnya Daya Hidrolik, Daya Kinetik, Daya Turbin,
Daya Generator, Efisiensi
Turbin dan Efisiensi
Sistem. Contoh perhitungan yang
dilakukan dengan mengambil
data pengujian Sudu
Silinder Dibelah Dua pada beban kosong (nomor 1) diketahui :
|
Dimeter dalam pipa ; Diameter Oriffice ;
|
A1 = 1,256.10-3 m2
A2 = 8,038.10-4 m2
|
|
Percepatan Gravitasi ;
|
g = 9.81 m/det2
|
|
Massa jenis air ;
|
ρ = 996,74 kg/m3
|
|
Berat jenis air raksa ;
|
SHg = 13,61
|
|
Berat jenis air ;
|
Sair = 1
|
|
Head Tabung Bourdon ;
|
H = 1,1 kgf/cm2 = 11 m
|
Beda
ketinggin Manometer U ; ∆x = 17 cm =
0,17 m
|
Kecepatan putaran Turbin ;
|
n
|
=
1500 Rpm
|
|
Arus output Generator ;
|
I
|
= 0 Amper
|
|
Tegangan output Generator ;
|
V
|
= 220 Volt
|
Sehingga perhitungan didapat :
Besarnya debit yang mengalir ; Q ( m3/det ) dihitung :
Q = cd A1A1 .A A2 2 2 2.g.Δx⎜ ss HG air − 1⎠⎟
................................ (Streeter, 199 ;336)
⎝
Q
= 0,64 (1,252566x10 −3 (−m3 ())m 2) . 8−,03 (8,038x108x −104 ( −m4 )( m)) 2 ⎛⎝ 1 31,6 1⎠⎞⎟ 1, x10
2.9,81(m / det) . 0,17(m )⎜ −
Q = 4,2 x 10--3
m3/det
Kecepatan pancaran jet keluar nosel ; V ( m/det) dihitung :
Q
V =
An
V = 4,2
x10 −3 (m 3 / det )
π
. ( 0,02 (m)) 2
4
= 13,37 m/det
Kecepatan keliling nominal turbin ; v ( m/det ) dihitung :
v = π .D.n 60
v = 
= 8,635 m/det
Perhitunga Daya :
a. Daya
Hidrolis ; Ph (Watt) yang
masuk ke nosel, dimana besarnya head diukur sebelum masuk Nozel yaitu : H = 11 m
Ph = ρ.g.Q.H
= 996,74 (kg/m3)
. 9,81 (m/det2) . 4,2 x 10-3 (m3/det) .11 (m)
= 432,7 Watt
b. Daya
Kinetik jet air ; Pk (Watt)
dihitung :
Pk 
V3
V3
1
3)
. ( π 0,02 m )2 . 13,37 (m/det ) 3
= . 996,74 (kg/m
3)
. ( π 0,02 m )2 . 13,37 (m/det ) 3
= . 996,74 (kg/m
2
4
= 374,84 Watt
c. Daya
Turbin ; Pt (Watt)
dihitung : θ = 15 o
Pt = ρ . A.V.( V – v ).( 1 + cos θ ).v
= 996,74 (kg/m3)
. 3,14x10-4(m) . 13,37(m/det) . (13,37 (m/det) - 8,635
(m/det)) . (1 + cos15
o) . 8,635 (m/det)
= 335,31 Watt
d. Daya
Listrik (Daya Generator) ; Pg (Watt) dihitung :
Cos ϕ
= 1
V = 220 volt
I
= 0 amper
Pg = V.
I . Cosϕ
= 220(Volt)
. 0(Amper) . Cos 1 = 0 Watt
Perhitungan Efisiensi :
a. Efisiensi
SuduTurbin ; ηt
Pt . 100% η st = Pk
η st = 374,84
335,31 ((WattWatt))
.
100%
335,31 ((WattWatt))
.
100%
= 89,45 %
b. Efisiensi
Sistem ; ηs Pg
ηs
= 
. 100%
. 100%
Ph
0 (Watt) η s
= 
432,7 (Watt) .
100%, ηs = 0 %
432,7 (Watt) .
100%, ηs = 0 %
Hasil perhitungan pengujian sudu pada tegangan konstan
Tabel 3. Hasil Perhitungan Sudu Mangkok
|
P
|
h
|
(Watt)
|
Pk
|
(Watt)
|
Pt
|
(Watt)
|
Pg
|
(Watt)
|
ηt
|
(%)
|
ηs
|
(%)
|
|
468,06
|
709,47
|
368,58
|
0
|
90,01
|
0
|
|||||||
|
474,89
|
430,21
|
399,38
|
21,99
|
92,83
|
4,63
|
|||||||
|
525,41
|
447,96
|
416,99
|
46,19
|
93,08
|
8,79
|
|||||||
|
532,66
|
478,93
|
452,94
|
70,38
|
94,57
|
13,21
|
|||||||
|
539,81
|
484,89
|
460,64
|
92,38
|
94,99
|
17,11
|
|||||||
|
599,98
|
523,80
|
487,57
|
116,38
|
93,08
|
19,11
|
|||||||
|
662,09
|
565,84
|
550,49
|
140,77
|
97,28
|
21,26
|
|||||||
|
667,67
|
605,44
|
589,32
|
164,97
|
97,33
|
24,34
|
|||||||
|
685,33
|
627,69
|
612,49
|
189,17
|
97,57
|
27,02
|
|||||||
Tabel 4. Hasil perhitungan Sudu Silinder Dibelah Dua
|
P
|
h
|
(Watt)
|
Pk
|
(Watt)
|
Pt
|
(Watt)
|
Pg
|
(Watt)
|
ηt
|
(%)
|
ηs
|
(%)
|
|
432,70
|
374,84
|
335,31
|
0
|
80,94
|
0
|
|||||||
|
467,20
|
409,47
|
367,90
|
24,20
|
90,33
|
5,20
|
|||||||
|
517,18
|
456,64
|
427,05
|
46,20
|
93,52
|
8,90
|
|||||||
|
531,75
|
463,39
|
431,15
|
70,39
|
93,04
|
13,20
|
|||||||
|
591,42
|
505,25
|
479,32
|
94,59
|
94,86
|
15,90
|
|||||||
|
598,96
|
521,84
|
497,41
|
118,78
|
95,31
|
19,80
|
|||||||
|
660,90
|
562,6
|
541,47
|
142,98
|
96,23
|
21,60
|
|||||||
|
708,60
|
624,23
|
607,26
|
164,97
|
97,28
|
23,30
|
|||||||
|
742,40
|
627,52
|
612,97
|
206,77
|
97,67
|
27,85
|
|||||||
KESIMPULAN
Dari perhitungan maka dapat diambil
kesimpulan sebagai berikut :
Besarnya daya yang dihasilkan oleh sistem dipengaruhi oleh
head (H), debit (Q), percepatan
grafitasi (g) dan pembebana generator pada tegangan yang konstan. Karena
itu pada tiap pengujian akan didapat daya semakin besar dengan kenaikan debit
dan head dan beban generator.
Pada pemberian tegangan konstan 220 Volt dan putaran 1500
Rpm, Daya Kinetik pada Sudu Mangkok lebih tinggi dari Sudu Silinder Tertutup
Dibelah Dua dengan selisih 0,17 Watt, tetapi Daya Hidrolik, Daya Turbin, dan
Daya Generator terlihat lebih tinggi pada Sudu Silinder Dibelah Dua, selisih
dayanya sebesar 57,07 Watt, 0,48 Watt, dan 17,60 Watt. Sedang untuk efisiensi,
value tertinggi pada Sudu Silinder Dibelah Dua, dengan selisih 0,1 % untuk
Efisiensi Turbin dan 0,83 % untuk Efisiensi Sistem.
Daya dan efisiensi yang dihasilkan
Turbin dipengaruhi oleh faktor-faktor tertentu,
seperti peralatan pendukung, sifat fluida, kekasaran permukaan sudu,
kontruksi instalasi, human error dan faktor lain yang tidak bisa diprediksi.
Secara umum terlihat bahwa Sudu Silinder tertutup Dibelah Dua lebih unggul dari
pada Sudu Mangkok.
DAFTAR PUSTAKA
Dietzel F. 1993.
“Turbin Pompa Dan Kompresor”, Jakarta:
Erlangga.
M. Edy Sunarto, Markus Eisenring. 1994.
”Turbin Pelton Mikro“, Yogyakarta:
MHPG ANDI OFFSET.
Niemann G. 1986. “Elemen
mesin Jilid 1”,Jakarta: Erlangga.
Sularso. 1993. ”Dasar Pemilihan
dan Perencanaan Elemen
Mesin”. Jakarta: Pradnya
Paramita.
Sasongko, Gjoko. 1996. Teknik
Sumber Daya Air. Jakarta: Erlangga.
Sato GT. 1993. “Menggambar Mesin Menurut Standar I.S.O”. Jakarta:
Pradnya Paramita.
Streerter, Viktor L. 1988. ”Mekanika Fluid”. Jakarta: Erlangga.
Pamungkas Irwan N, Franciscus Asisi Injil P, Karwanto, Samodra
Wasesa
Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Semarang, Semarang
