PROPOSAL TUGAS PERANCANGAN MESIN
RANCANG BANGUN TURBIN ULIR SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA PIKOHIDRO
Disusun oleh: Yulianto Mochammad Ridwan Wawan Edi Santoso Aziz Akbar Rifai
(111031068) (111031108) (111031171) (111031174)
PROGRAM STUDI STRATA 1 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT SAINS & TEKNOLOGI AKPRIND YOGYAKARTA 2013
PROPOSAL TUGAS PERANCANGAN MESIN
RANCANG BANGUN TURBIN ULIR SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA PIKOHIDRO
Disusun oleh: Yulianto (111031068) Mochammad Ridwan (111031108) Wawan Edi Santoso (111031171) Aziz Akbar Rifai (111031174)
PROGRAM STUDI STRATA 1 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT SAINS & TEKNOLOGI AKPRIND YOGYAKARTA 2013 i
DAFTAR ISI
Halaman Judul
i
Daftar Isi
ii
Daftar Gambar
iii
Daftar Tabel
iv
A. Pendahuluan 1. Latar Belakang Masalah
1
2. Rumusan Masalah
2
3. Batasan Masalah
2
4. Tujuan Perancangan
2
5. Manfaat Perancangan
2
B. Tinjauan Pustaka
3
C. Landasan Teori 1. Konsep Dasar Sistem Konversi Energi Air
5
2. Jenis-Jenis Turbin Air
5
3. Turbin Ulir
6
4. Paramater-Parameter Turbin Ulir
8
D. Perancangan 1. Daya Rencana
10
2. Penentuan Dimensi Rancangan
10
E. Daftar Pustaka
11
F. Jadwal Pelaksanaan
12
G. Rincian Perkiraan Biaya
13
H. Biodata Penyusun Proposal
14
ii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1. Turbin ulir yang dibuat oleh Havendri (2009)
3
Gambar 1.2. Turbin ulir yang dibuat oleh Hizar (2011)
5
Gambar 2.1. Rentang head-flow turbin skala kecil (Hizar, 2011)
6
Gambar 2.2. Ilustrasi sebuah turbin ulir (Hizar, 2011)
7
Gambar 2.3. Parameter sebuah ulir Archimedes 2 sudu (Rorres, 1998)
8
Gambar 3.1. Diagram alir proses perancangan trubin ulir
9
Gambar 3.2. Rancangan turbin ulir yang akan dibuat
11
Gambar 4.1. Diagram alir jadwal pelaksanan
12
iii
DAFTAR TABEL
Tabel 1.1. Hasil pengujian yang dilakukan oleh Hizar (2011)
4
Tabel 2.1. Perkiraan biaya pembuatan turbin ulir
13
iv
A. Pendahuluan 1. Latar Belakang Masalah Peningkatan
jumlah
penduduk
di
Indonesia
menyebabkan
peningkatan kebutuhan energi listrik karena kemudahannya untuk diubah lagi ke bentuk energi lain, padahal pemenuhan kebutuhan listrik masih belum
merata
kepada
segenap
lapisan
masyarakat
sementara
ketergantungan pemakaian bahan bakar fosil masih sangat tinggi untuk digunakan sebagai pembangkitan energi listrik. Indonesia adalah negara yang cukup kaya dengan potensi energi terbarukan seperti energi air (minihidro, mikrohidro, pikohidro), energi biomassa, energi surya, energi angin, energi panas bumi, energi laut, dan energi nuklir. Khusus untuk pikohidro, pengembangannya biasanya memanfaatkan potensi aliran air dengan head (ketinggian) dan debit tertentu yang dikonversi menjadi energi listrik melalui turbin dan generator. Dari
permasalahan
di
atas,
penyusun
tertarik
untuk
mengembangkan jenis turbin yang dapat beroperasi optimal pada head rendah debit tinggi, yaitu turbin ulir. Turbin ini beroperasi dengan putaran rendah dan masih tergolong baru dikembangkan di Indonesia namun memiliki beberapa keunggulan di antara jenis turbin head rendah yang lain sebagai berikut (Havendri, 2010): 1. Tidak memerlukan sistem kontrol khusus karena penggunaan unit peralatan dan generator yang standar. 2. Mudah dalam konstruksi, instalasi dan perawatan. 3. Ramah lingkungan dan fish-friendly. 4. Tidak membutuhkan draft tube dan trash rack sehingga biaya konstruksi yang rendah. 5. Mudah dalam pengoperasian dan biaya perawatan yang rendah. 6. Efisiensi turbin yang tinggi untuk kondisi operasi head rendah dan debit tinggi. 7. Mempunyai umur yang cukup lama, berkisar dari 25 sampai 40 tahun.
1
Kinerja sebuah turbin ulir dipengaruhi oleh parameter-parameter yang terkait dalam perancangan turbin ulir itu sendiri, antara lain: pitch atau jarak periode dari sebuah sudu (blade) dan pemasangan turbin atau kemiringan
poros.
Berdasarkan
uraian
tersebut,
penulis
tertarik
mengembangkan perancangan tentang turbin ulir yang disusun dalam tugas perancangan mesin yang diberi judul “Rancang Bangun Turbin Ulir sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Pikohidro”. 2. Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan di atas, terdapat rumusan masalah yang selanjutnya menjadi bahan kajian bagi penulis, yaitu: •
Bagaimana rancangan turbin ulir yang optimal untuk digunakan sebagai pembangkit listrik tenaga pikohidro?
3. Batasan Masalah Sebagai batasan masalah agar perancangan ini tidak menyimpang, penulisan dibatasi pada: 1. Rancang bangun turbin ulir 2 blade dengan pitch 2𝑅𝑅𝑜𝑜 .
2. Perhitungan ketebalan blade dan ketebalan poros tidak dibahas dalam rancang bangun ini. 3. Alat yang digunakan untuk mengubah daya mekanik menjadi daya listrik adalah generator AC 3 fasa 200 W. 4. Analisis hasil pengujian turbin ulir tidak dibahas.
4. Tujuan Perancangan Tujuan dari perancangan ini adalah: •
Membuat turbin ulir sebagai pembangkit listrik tenaga pikohidro.
5. Manfaat Perancangan Manfaat yang diharapkan dari perancangan ini adalah: 1. Mengetahui rancangan turbin ulir yang optimal untuk digunakan sebagai pembangkit listrik tenaga pikohidro. 2
2. Sebagai referensi dalam pengembangan turbin ulir sebagai penggerak mula (primer mover engine) pada pembangkit skala kecil (minihidro, mikrohidro, pikohidro).
B. Tinjauan Pustaka Penelitian mengenai turbin ulir dewasa ini telah dilakukan oleh ilmuwan-ilmuwan di berbagai negara, termasuk di Indonesia. Havendri (2009) telah membuat model prototipe turbin air tipe screw (Archimedean Turbine) untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikohidro (PLTMh). Dari hasil perencanaan dan pembuatan model tersebut, didapatkan spesifikasi rancangan sebagai berikut: •
Daya turbin
= 100 W
•
Putaran turbin
= 45 rpm
•
Head turbin
=1m
•
Kapasitas aliran
= 0,022 m3/s
•
Diameter trubin
= 0,167 m
•
Material turbin baja karbon ASTM A53
Gambar 1.1. Turbin ulir yang dibuat oleh Havendri (2009)
3
Dari studi eksperimental yang telah dilakukan oleh Hizar (2011) mengenai pengaruh perbedaan jarak pitch dan kemiringan poros terhadap kinerja mekanik turbin ulir 2 blade didapatkan data sebagaimana yang tercantum pada tabel 1.1. Tabel 1.1. Hasil pengujian yang dilakukan oleh Hizar (2011) Pitch 2R₀
1,6R₀
1,2R₀
Kemiringan Poros [⁰] 25 30 35 40 45 25 30 35 40 45 25 30 35 40 45
Putaran Turbin [rpm] [rad/s] 115 12,04 117 12,25 135 14,13 145 15,18 110 11,51 106 11,09 112 11,72 127 13,29 132 13,82 98 10,26 118 12,35 119 12,46 122 12,77 114 11,93 104 10,89
Daya Teoritis [W] 17,33 19,23 22,75 26,41 20,95 15,09 17,35 20,07 22,8 17,64 14,94 16,32 17,24 17,42 16,65
Daya Pengujian [W] 15,89 16,53 18,51 14,87 10,59 14,31 15,36 16,62 14,92 12,31 15,07 15,82 16,6 14,92 10,56
Daya Air [W] 21,82 24,97 27,98 30,78 33,39 21,82 24,97 27,98 30,78 33,39 21,82 24,97 27,98 30,78 33,39
Dari kedua data di atas, penyusun menyimpulkan bahwa desain turbin ulir 2 blade yang paling optimal akan didapatkan apabila jarak pitch 2R o dan kemiringan poros 35o.
4
Gambar 1.2. Turbin ulir yang dibuat oleh Hizar (2011)
C. Landasan Teori 1. Kosep Dasar Sistem Konversi Energi Air Sistem konversi energi air merupakan sistem yang bertujuan untuk merubah energi potensial air menjadi energi mekanik poros oleh sudu turbin (Pudjanarsa, 2008). Energi gerak atau energi puntir yang dihasilkan turbin tersebut ditransmisikan dengan menggunakan sabuk, roda gigi, maupun poros untuk memutar generator. Selanjutnya generator berperan mengkonversi energi mekanik tersebut menjadi energi listrik. Besarnya energi yang ditransfer ke sudu turbin terutama dipengaruhi oleh besarnya laju aliran air dan keoptimalan rancangan dari parameter turbin itu sendiri. 2. Jenis-Jenis Turbin Air Turbin air merupakan mesin penggerak mula (primer mover engine) di mana air sebagai fluida kerjanya. Air mempunyai sifat alami mengalir dari tempat yang lebih tinggi menuju ke tempat yang lebih 5
rendah, dalam hal ini air memiliki energi potensial. Proses aliran energi potensial ini berangsur-angsur berubah menjadi energi kinetik, di dalam turbin energi kinetis tersebut diubah menjadi energi mekanik yaitu dengan terputarnya runner turbin. Selanjutnya energi mekanik dari runner turbin ditransmisikan ke poros generator dan mengubahnya menjadi energi listrik. Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan prinsip kerjanya sebagai berikut (Dietzel, 1996): 1. Turbin impuls (impulse turbine), yaitu turbin yang digerakkan oleh
sebuah
atau
beberapa
pancaran
air
(water
jet)
berkecepatan tinggi. Jenis-jenis turbin impuls adalah turbin Pelton, turbin Turgo, dan turbin Crossflow.
Gambar 2.1. Rentang head-flow turbin skala kecil (Hizar, 2011) 2. Tubin reaksi (reaction turbine), yaitu turbin yang digerakkan oleh gaya tekanan air. Rotor dari turbin reaksi terbenam secara keseluruhan dalam air dan ditutupi oleh selubung tekan (pressure casing). Sudu-sudu runner mempunyai bentuk profil sedemikian rupa sehingga perbedaan tekanan air yang melewatinya menimbulkan gaya-gaya hidrodinamis yang selanjutnya gaya-gaya tersebut memutar turbin dengan cepat. Jenis-jenis turbin reaksi adalah turbin Propeler, turbin Kaplan, dan turbin Francis. 6
3. Turbin gravitasi (gravity turbine), yaitu turbin yang secara sederhana digerakkan oleh gaya berat air yang memasuki bagian atas turbin dan mengalir atau jatuh ke bagian bawah keluaran (outlet) turbin. Jenis ini merupakan jenis turbin berkecepatan rendah. Jenis-jenis turbin gravitasi adalah turbin ulir (Archimedes Screw turbine) dan overshoot waterwheel. 3. Turbin Ulir Proses perubahan energi pada turbin ulir yaitu energi tekanan dan kinetik dalam air yang menumbuk blade (sudu ulir) akan menimbulkan gaya-gaya hidrodinamis pada blade ulir tersebut. Gayagaya tersebut mengakibatkan perubahan tekanan pada blade turbin ulir. Perubahan tekanan ini akan memutar blade dan poros turbin. Energi puntir yang terdapat pada poros selanjutnya ditransmisikan untuk memutar generator. Energi listrik yang dihasilkan oleh generator selanjutnya didistribusikan ke konsumen setelah melalui inverter. Turbin ulir merupakan salah satu turbin yang sangat efisien untuk dioperasikan pada aliran air yang mempunyai head rendah dan debit tinggi. Turbin ulir bekerja pada kisaran head 1 – 15 m.
Gambar 2.2. Ilustrasi sebuah turbin ulir (Hizar, 2011)
7
4. Parameter-Parameter Turbin Ulir Geometri dari sebuah ulir Archimedes (Archimedes screw) ditentukan oleh beberapa parameter eksternal yaitu jari-jari terluar, panjang
ulir,
dan
kemiringan.
Parameter-parameter
lain
yang
mempengaruhi adalah parameter internal seperti jari-jari dalam, jumlah blade, dan pitch blade (Rorres, 1998). Parameter-parameter eksternal tersebut biasanya ditentukan oleh lokasi penempatan ulir Archimedes dan seberapa banyak air yang akan diangkat. Sementara parameter-parameter internal adalah bebas ditentukan sendiri untuk mengoptimalkan performansi atau kinerja dari ulir. Dalam ulir Archimedes yang modern, jumlah dari blade biasanya 1,2, atau 3. Hal ini karena keterbatasan dalam pembuatan, berat ulir, dan biaya. Jadi, jumlah blade ditentukan di awal perancangan. Ketebalan blade diasumsikan mempunyai ketebalan yang dapat diabaikan. Sementara volume air yang bisa diangkat dalam satu putaran turbin akan relatif meningkat seiring dengan pertambahan jumlah blade. Jika seandainya terdapat ketebalan blade yang tidak dapat diabaikan maka mereka akan mengurangi volume air yang bisa diangkat dalam satu putaran ulir, Dan jika jumlah mereka meningkat, maka akan menyebabkan tidak ada sama sekali volume air yang bisa diangkat oleh ulir.
Gambar 2.3. Parameter sebuah ulir Archimedes 2 sudu (Rorres, 1998) 8
D. Perancangan Mulai
Studi literatur turbin ulir dan PLTPh
Survey lokasi pemasangan PLTPh
Penentuan head, debit aliran, dan daya keluaran
Tidak
Sesuai?
Ya Perancangan rotor turbin ulir
• • • • •
Perancangan poros dan kopling Pemilihan bantalan dan plummer block Perancangan casing Pemilihan baut dan mur Perhitungan kekuatan sambungan las
Pemilihan generator Pembuatan gambar kerja
Selesai Gambar 3.1. Diagram alir proses perancangan trubin ulir 9
1. Daya Rencana Dalam perancangan ini, perhitungan dimulai dengan mencari daya teoritis turbin (P t ) (Munson, 2005). •
Debit rencana (Q) = 0,01 m3/s
•
Head rencana (h) = 1 m
Efisiensi turbin ulir berkisar antara 75 – 90% (Muller, 2009). Dalam perancangan ini, efisiensi rencana diambil 75 % maka: 𝑃𝑃𝑡𝑡 = 𝜂𝜂. 𝜌𝜌. 𝑔𝑔. ℎ. 𝑄𝑄
⇔ 𝑃𝑃𝑡𝑡 = 75% �1000
⇔ 𝑃𝑃𝑡𝑡 = 73,5 𝑊𝑊
𝑘𝑘𝑘𝑘 𝑚𝑚3 𝑚𝑚 (1 𝑚𝑚) �0,01 � � � 9,8 2 � 𝑚𝑚3 𝑠𝑠 𝑠𝑠
Daya turbin (P t ) ini dimaksudkan sebagai pedoman batas maksimum daya poros yang direncanakan. Putaran turbin (N) yang direncanakan maksimal adalah 200 rpm. Jika daya turbin, (P t ) adalah daya nominal output sebagai penggerak, maka faktor keamanan harus digunakan dalam perencanaan. Jika faktor koreksi adalah f c (Sularso, 1985) di mana f c = 1,2 – 2 (diambil 1,2) maka daya rencana (P d ): 𝑃𝑃𝑑𝑑 = 𝑓𝑓𝑐𝑐 . 𝑃𝑃𝑡𝑡
⇔ 𝑃𝑃𝑑𝑑 = 1,2 (73,5 𝑊𝑊) ⇔ 𝑃𝑃𝑑𝑑 = 88,2 𝑊𝑊
2. Penentuan Dimensi Rancangan •
Panjang rotor (L)
=1m
•
Diameter dalam (D i )
= 0,152 m
•
Jumlah sudu (N)
=2
•
Tebal sudu (t b )
= 1,2 mm
•
Diameter luar (D o )
= 0,284 m
•
Lebar sudu (w)
= 0,066 m
•
Pitch (Ʌ) = 2R o
= 0,284 m
•
Jumlah putaran ulir (n b ) = 3,5 10
Gambar 3.2. Rancangan turbin ulir yang akan dibuat
E. Daftar Pustaka Dietzel, F., 1996, Turbin, Pompa, dan Kompresor, Erlangga, Jakarta. Havendri, A. dan Arnif, I., 2010, “Kaji Eksperimental Penentuan Sudut Ulir Optimum pada Turbin Ulir untuk Data Perancangan Turbin Ulir pada Pusat Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMh) dengan Head Rendah”, Prosiding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin (SNTTM) ke-9. Havendri, A. dan Lius, H., 2009, “Perancangan dan Realisasi Model Prototipe Turbin Air Type Screw (Archimedean Turbine) untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro dengan Head Rendah di Indonesia”, Jurnal TeknikA, No.31 Vol.2 Thn. XVI April 2009, ISSN: 0854-8471. Hizar, Y., 2011, Rancang Bangun dan Studi Eksperimental Pengaruh Perbedaan Jarak Pitch dan Kemiringan Poros Terhadap Kinerja Mekanik Model Turbin Ulir 2 Blade Pada Aliran Head Rendah, Thesis Magister Teknik Sistem Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta. 11
Munson, B. R., Young, D. F., Okiishi, T. H., 2005, Mekanika Fluida Jilid 2, Erlangga, Jakarta. Pudjanarsa, A. dan Nursuhud, D., 2008, Mesin Konversi Energi, Penerbit Andi, Yogyakarta. Rorres, C., 1998, “The Turn of the Screw: Optimal Design of An Archimedes Screw”, Journal of Hydraulic Engineering, January 2000, hlm 72-80. Sularso & Suga, K., 1985, Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin, Pradnya Paramita, Jakarta.
F. Jadwal Pelaksanaan
1 Juli - 4 Agustus 2013
5 Agustus - 15 September 2013
16 September 13 Oktober 2013
14 - 31 Oktober 2013
1 - 10 November 2013
• Studi Literatur • Survey Lokasi Pemasangan PLTPh
• Perancangan Turbin Ulir • Perhitungan Biaya Produksi
• Pembuatan Turbin Ulir
• Pengujian Turbin Ulir • Revisi Rancangan
• Pembuatan Laporan
Gambar 4.1. Diagram alir jadwal pelaksanan
12
G. Rincian Perkiraan Biaya Tabel 2.1. Perkiraan biaya pembuatan turbin ulir Material Plat baja 2 m x 1 m x 1 mm Plat baja 5 m x 2 m x 4 mm Pipa baja 2 m Silinder baja pejal 4 m Elemen Mesin Bantalan (2 buah) Kopling Baut dan mur (20 pasang) Pelumas Komponen Listrik Generator AC 3 fase 200 W Rectifier Peralatan Mistar baja Mistar gulung Jangka sorong Obeng Kunci ring Kunci pass Tang jepit Amplas Cat semprot Solder dan tenol Multimeter Proses Produksi Pemotongan Pembubutan Pengerolan Penekukan Pengelasan Total Biaya
Rp Rp Rp Rp
200.000,00 200.000,00 200.000,00 300.000,00
Rp Rp Rp Rp
50.000,00 30.000,00 30.000,00 25.000,00
Rp Rp
450.000,00 15.000,00
Rp Rp Rp Rp Rp Rp Rp Rp Rp Rp Rp
5.000,00 15.000,00 5.000,00 15.000,00 15.000,00 15.000,00 15.000,00 10.000,00 100.000,00 25.000,00 35.000,00
Rp 100.000,00 Rp 150.000,00 Rp 100.000,00 Rp 200.000,00 Rp 350.000,00 Rp 2.655.000,00
13
H. Biodata Penyusun Proposal 1. Nama
: Yulianto
No. Mahasiswa
: 111031068
Tempat, tanggal lahir
: Blora, 10 Maret 1993
Alamat asal
: Banjarejo, Blora
Alamat di Yogyakarta
: PJKA J8, Pengok, Yogyakarta
No. Telepon
: 085713414548
Asal SMA/SMK
: SMK Muhammadiyah 1 Blora
2. Nama
: Mochammad Ridwan
No. Mahasiswa
: 111031108
Tempat, tanggal lahir
: Surakarta, 13 Oktober 1992
Alamat asal
: Cangakan III/18 RT.01/RW.X Nusukan Surakarta
Alamat di Yogyakarta
: Jalan Mutiara 76 RT.37/RW.10 Pengok, Yogyakarta
No. Telepon
: 085725672220
Asal SMA/SMK
: SMA Negeri 4 Surakarta
3. Nama
: Wawan Edi Santoso
No. Mahasiswa
: 111031171
Tempat, tanggal lahir
: Sukoharjo, 26 Agustus 1993
Alamat asal
: Majasto RT1/RW4 Tawangsari, Sukoharjo
Alamat di Yogyakarta
: Purwodiningratan, Yogyakarta
No. Telepon
: 087839000180
Asal SMA/SMK
: SMK Tunas Bangsa Tawangsari
4. Nama
: Aziz Akbar Rifai
No. Mahasiswa
: 111031174
Tempat, tanggal lahir
: Banjarnegara, 6 September 1993
Alamat asal
: Blambangan RT.03/RW.01 Banjarnegara
Alamat di Yogyakarta
: Demangan Kidul, Yogyakarta
No. Telepon
: 087737769688
Asal SMA/SMK
: SMK Panca Bhakti Banjarnegara 14
