STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT DEFLEKTOR PADA …€¦ · Turbin air Savonius merupakan salah...
Transcript of STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT DEFLEKTOR PADA …€¦ · Turbin air Savonius merupakan salah...
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT DEFLEKTOR
PADA SAVONIUS WATER TURBIN WITH HORIZONTAL AXIS
TERHADAP POWER OUTPUT PADA ALIRAN AIR DALAM PIPA
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat
Untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh :
ARI PRASETYO
I 1414015
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2017
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
ii
MOTTO
“Ilmu itu lebih baik daripada harta, ilmu menjaga engkau dan
engkau menjaga harta. Ilmu itu penghukum (hakim) dan harta
terhukum. Harta itu akan berkurang jika dibelanjakan tetapi ilmu
akan bertambah jika diamalkan” (Ali bin Abi Tholib)
“Kalau ingin melakukan perubahan, Jangan tunduk pada
kenyataan, Asal yakin di jalan yang benar” (K.H. Abdurarman
Wahid)
"Apabila dalam di dalam diri seseorang masih ada rasa malu dan
takut untuk berbuat suatu kebaikan, maka jaminan bagi orang
tersebut adalah tidak akan bertemunya ia dengan kemajuan
selangkah pun" (Ir. Soekarno)
“Semakin besar kita menngkatkan ilmu pengetahuan, maka
semakn besar pulakita mengungkapkan ketidaktahuan”. (J.F.
Kennedy)
"Kalau kita tidak merencanakan masa depan karena kita hidup
pada jaman sekarang, maka kita akan tetap berada di masa lalu"
(Abraham Lincoln)
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
iii
HALAMAN PERSEMBAHAN
Dengan segala kerendahan hati ku persembahkan tulisan ini untuk:
1. Kepada ayah dan ibuku tercinta yang telah memberikan doá restu, serta
dukunganya.
2. Kepada Bapak Teguh Suparno yang selalu memantau perkembangan studi
dan mendo’akan saya.
3. Keluarga besar semua yang telah memberikan banyak do’a dan
dukungannya sehingga dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.
4. Kepada Staf Dosen dan Karyawan Universitas Sebelas Maret yang tidak bisa
saya sebutkan satu persatu yang telah memberikan ilmunya dan menuntun
saya menjadi sarjana.
5. Kepada team riset Pico Hydro Erry setyawan, Imron Hamzah, Taufan A.
Sanditya, Moh. Sidiq T.P, Alpriza Sakti, Hasnul Khuluqi yang selama ini selalu
memberikan masukan dan saran yang banyak membantu dalam
penyelesaian Tugas Akhir ini.
6. Kepada teman – teman mesin yang selama ini menjadi keluarga kedua saya
di Universitas Sebelas Maret.
Kepada Teman – teman yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu yang
telah memberikan do’a dan dukungannya kepada saya.
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
iv
STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT DEFLEKTOR
PADA SAVONIUS WATER TURBIN WITH HORIZONTAL AXIS
TERHADAP POWER OUTPUT PADA ALIRAN AIR DALAM PIPA
Ari Prasetyo
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta
Indonesia
Email : [email protected]
Abstrak
Turbin air Savonius merupakan salah satu turbin yang desainnya sederhana dan
murah pembuatannya sehingga sangat menarik untuk diteliti. Deflektor berfungsi
untuk membuat fokus aliran, sehingga meningkatkan gaya drag pada sudu cekung
turbin. Eksperimen ini bertujuan untuk mendapatkan peforma terbaik dari sudut
deflektor pada setiap variasi debit. Turbin air Savonius single stage sumbu
horizontal didiaplikasikan pada pipa diameter 3 inchi yang sesuai dengan kondisi
nyata. Unjuk kerja deflektor dianalisa dengan power output, TSR, dan coeffisient
power yang dihasilkan oleh turbin. Variasi sudut deflektor yang diuji adalah tanpa
deflektor, 20º, 30º, 40º, dan 50º dengan ratio deflektor 50%. Hasilnya, debit
10,75x10-3 m3/s, turbin tanpa deflektor menghasilkan power output 9,77 Watt, TSR
0,93, dan coeffisient power 0,087. Sementara, pada debit yang sama turbin dengan
sudut deflektor 30º menghasilkan peforma power output 18,04 Watt, TSR 1,12 dan
coeffisient power 0.129. Deflektor meningkatan power output yaitu 84,6%.
Kata kunci : Turbin, Sudut deflektor, Peforma turbin, Picho Hidro.
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
v
The Experimental Study Influence Angle of Deflector on Savonius Water
Turbine with Horizontal Axis To Water Flow Power Generation in Pipe
Ari Prasetyo
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta
Indonesia
Email : [email protected]
Abstract
A Savonius Water Turbine has simple design and easiness in fabrication. This
experimental study aimed to find out best performance of the turbine in various
angle of deflector and flow rate. Single stage of horizontal axis Savonius Water
Turbine was installed to the pipe with diameter of 3 inch which suitable in real
condition.Deflector performance were analyzed by power output, tip speed ratio,
and power coefficient by turbine. The angle of deflector were investigated at
0º(without deflector), 20º, 30º, 40º, and 50º with the deflector ratio of 50%. The
result showed that turbine without deflector generates power output of 9.77 Watt,
tip speed ratio of 0.93 and coefficient power of 0.087 at the flow rate on 10,75x10-
3m3/s,. Futhermore at the same flow rate, the highest result is turbine with deflector
30º that could generate power output of 18.04 Watt, tip speed ratio of 1.12 and
coefficient power of 0.129. The increament power output was 84.6%.
Keyword : Turbine, Angle of deflektor, Peformance turbine, Picho Hidro.
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
vi
KATA PENGANTAR
Syukur Alhamdulillah penulis panjatkan ke hadirat Allah SAW, atas
rahmat, barokah, dan ridho-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan
laporan tugas akhir “STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SUDUT
DEFLEKTOR PADA SAVONIUS WATER TURBIN WITH HORIZONTAL
AXIS TERHADAP POWER OUTPUT ALIRAN AIR DALAM PIPA” ini
dengan baik. Penyusunan tugas akhir ini selain merupakan salah satu persyaratan
yang harus dipenuhi untuk menyelesaikan pendidikan tingkat Sarjana pada Fakultas
Teknik Jurusan Mesin Universitas Sebelas Maret juga dimaksudkan untuk
menambah wawasan di bidang pembangkit listrik tenaga air yang dapat
dimanfaatkan untuk mengatasi kebutuhan energi yang sangat besar saat ini.
Dalam Penyelesaian Skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa
bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung ataupun tidak langsung. Oleh
karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih yang
sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan
Skripsi ini, terutama kepada :
1. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T. selaku Ketua Prodi dan dosen
pembimbing I Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret
yang telah membimbing dan memberikan motifasi selama menyelesaikan
Laporan Tugas Akhir ini.
2. Bapak D. Danardono, S.T., M.T., Ph.D. selaku dosen pembimbing II dalam
penyusunan laporan Tugas Akhir yang telah membimbing dan memberikan
masukan sehingga penulis dapat menyempurnakan Laporan Tugas Akhir.
3. Seluruh Dosen, Staf, dan karyawan jurusan teknik mesin fakultas teknik
Universitas Sebelas Maret atas jasa – jasanya selama penulis menuntut ilmu.
4. Ibu yang selama ini menjadi seseorang ibu yang selalu memberikan
semangat dalam pembuatan Laporan Tugas Akhir ini.
5. Bapak yang memberikan motivasi untuk segera menyelesaikan Tugas Akhir
ini.
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
vii
6. Bapak Teguh Suparno yang selalu mendukung dalam bidang apapun
sehingga penulis dapat menyelesaikan study dan Tugas Akhir ini.
7. Teman – teman Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret sebagai keluarga
kedua yang selalu memotifasi untuk segera menyelesaikan Tugas Akhir ini.
8. Semua pihak yang telah banyak memberikan bantuan yang tidak dapat
penulis sebutkan satu persatu sehingga mengantarkan mengatarkan penulis
untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini.
Dalam penyusunan laporan ini tentunya masih banyak terdapat kekurangan,
kesalahan dan kekhilafan karena keterbatasan kemampuan penulis, untuk itu
sebelumnya penulis mohon maaf yang sebesar-besarnya. Penulis juga
mengharapkan kritik dan saran dari semua pihak demi perbaikan yang bersifat
membangun atas laporan ini.
Akhirnya dengan segala kerendahan hati penulis mengucapkan terima kasih
dan semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi penulis maupun kita bersama.
Surakarta, 4 Desember 2016
Penulis
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
viii
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ........................................................................................ i
MOTTO .......................................................................................................... ii
HALAMAN PERSEMBAHAN ...................................................................... iii
Abstrak ............................................................................................................. iv
Abstract ............................................................................................................ v
KATA PENGANTAR ..................................................................................... vi
DAFTAR ISI .................................................................................................... viii
DAFTAR GAMBAR ....................................................................................... x
DAFTAR PERSAMAAN ................................................................................ xiii
DAFTAR NOTASI .......................................................................................... xiv
DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................... xv
BAB I PENDAHULUAN .............................................................................. 1
1.1 Latar Belakang ................................................................................ 1
1.2 Rumusan Masalah ........................................................................... 2
1.3 Batasan Masalah.............................................................................. 3
1.4 Tujuan Penelitian ............................................................................ 3
1.5 Manfaat Penelitian .......................................................................... 3
1.6 Sistematika Penulisan ..................................................................... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA .................................................................... 5
2.1 Tinjauan Pustaka ............................................................................. 5
2.2 Turbin Air ....................................................................................... 11
2.3 Jenis-Jenis Turbin Air ..................................................................... 12
2.4 Gaya pada Turbin ............................................................................ 15
2.5 Pemilihan Turbin Air ...................................................................... 16
2.6 Persamaan Bernoulli ....................................................................... 17
2.7 Tip speed ratio (TSR) ..................................................................... 18
2.8 Coefficient of Power (Cp) ............................................................... 18
BAB III METODOLOGI PENELITIAN....................................................... 19
3.1 Alat dan Bahan ................................................................................ 19
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
ix
3.2 Spesimen uji .................................................................................... 19
3.3 Desain Turbin .................................................................................. 20
3.4 Apparatus test ................................................................................. 21
3.5 Pra study ......................................................................................... 22
3.6 Prosedur Penelitian.......................................................................... 22
3.7 Skema Rangkaian Listrik ................................................................ 23
3.8 Diagram Alir Penelitian .................................................................. 24
BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN ................................................. 25
4.1 Study Simulasi Kontur Tekanan dan Kecepatan dengan variasi sudut
deflektor pada Sudu Turbin ................................................................... 25
4.2 Data Hasil Pengujian ....................................................................... 28
4.2.1 Debit Aliran Fluida dan Daya Fluida ..................................... 28
4.2.2 Kecepatan Fluida ................................................................... 30
4.2.3 Data Hasil Pengujian Turbin .................................................. 32
4.3 Analisa Pengaruh Sudut Deflektor pada Variasi Debit ................... 33
4.4 Coefficient of Power (CP) dan Tip Speed Ratio (TSR) ................... 36
4.4.1 Coefficient of Power (CP) ...................................................... 36
4.4.2 Tip Speed Ratio (TSR) ........................................................... 37
BAB V PENUTUP ......................................................................................... 40
5.1 Kesimpulan ..................................................................................... 40
5.2 Saran ................................................................................................ 40
DAFTAR PUSTAKA .................................................................................... 41
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
x
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Perbandingan power extracted pada turbin air Savonius dengan
turbin angin Savonius ....................................................................................... 5
Gambar 2.2 Skema RWH system..................................................................... 6
Gambar 2.3 Skema turbin air Savonius dengan satu deflector plate ............... 6
Gambar 2.4 Skema turbin air Savonius dengan dua deflector plate ................ 7
Gambar 2.5 Tiga gambar concentrator ............................................................ 8
Gambar 2.6. Desain tipe blocking .................................................................... 9
Gambar 2.7 Tiga desain pengontrol arah angin El-Askary .............................. 10
Gambar 2.8 Savonius rotor secara konvensional ............................................. 10
Gambar 2. 9. Desain Blade Curvature ............................................................. 11
Gambar 2.10 Turbin Crossflow ........................................................................ 13
Gambar 2.11 Turbin Turgo .............................................................................. 13
Gambar 2.12 Turbin Francis............................................................................ 14
Gambar 2.13 Turbin Kaplan Propeler ............................................................. 15
Gambar 2.14 Turbin Pelton.............................................................................. 15
Gambar 2.15 Perbandingan antara debit dan head pemilihan turbin air .......... 16
Gambar 3.1 Metode Pengukuran sudut deflektor ............................................ 19
Gambar 3.2 Variasi sudut deflektor ................................................................. 20
Gambar 3.3 Desain Turbin Savonius ............................................................... 20
Gambar 3.4 Aparatus test ................................................................................. 21
Gambar 3.5 Gambar Skema Rangkaian Listrik ............................................... 23
Gambar 3.5 Gambar Diagram alir penelitian ................................................... 24
Gambar 4.1 Kontur tekanan pada sudu turbin dengan deflektor 20° ............... 25
Gambar 4.2 Kontur kecepatan pada sudu turbin dengan deflektor 20° ........... 26
Gambar 4.3 Torsi angle of attack simulasi pada variasi sudut deflektor ......... 27
Gambar 4.4 Ilustrasi Aliran fluida pada apparatus test ................................... 28
Gambar 4.5 Grafik hubungan sudut deflektor dengan debit yang dihasilkan .. 29
Gambar 4.6 Grafik hubungan sudut deflektor dengan daya input ................... 30
Gambar 4.7 Luas penampang deflektor ........................................................... 31
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
xi
Gambar 4.8 Kecepatan yang dihasilkan sudut deflektor pada variasi debit .... 32
Gambar 4.9 Hubungan debit dengan rpm turbin .............................................. 33
Gambar 4.10 Grafik hubungan sudut deflektor dengan power output ............. 34
Gambar 4.11 Grafik hubungan TSR dengan Cp ............................................... 38
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Ukuran dan posisi deflector plate ................................................... 7
Tabel 2.2 Ukuran posisi two deflector plate .................................................... 8
Tabel 4.1 Hasil torsi simulasi pada turbin terhadap sudut deflektor ................ 26
Tabel 4.2 Hasil Perhitungan Cp pada variasi sudut deflektor .......................... 37
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
xiii
DAFTAR PERSAMAAN
Persamaan (2.1) Persamaan Euler ............................................................................ 17
Persamaan (2. 2) Persamaan Bernoulli ..................................................................... 18
Persamaan (2. 3) Tip Speed Ratio (TSR) ................................................................... 18
Persamaan (2. 4) Coefisien Power Cp) ...................................................................... 18
Persamaan (2. 5) Daya Turbin (Pt) .......................................................................... 18
Persamaan (2. 6) Daya Input (Pi)............................................................................. 18
Persamaan (2. 7) Daya Output (Po) ......................................................................... 18
Persamaan (4. 1) Debit Air (Q) ................................................................................ 28
Persamaan (4. 2) Kecepatan Aliran Fluida (U) ......................................................... 31
Persamaan (4. 3) Kecepatan sudut (ω) ..................................................................... 37
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
xiv
DAFTAR NOTASI
Nomenclature
𝐷1 = Luas 1/2 diameter lingkaran pada pipa [m2]
𝐷2 = Diameter rotor [m]
g = Percepatan gravitasi [m/s2]
𝐻f = Head fluida [m]
𝑖 = Electrical current [Ampere]
𝑣 = Voltage [Volt]
𝑃i = Daya input [Watt]
𝑃o = Daya output [Watt]
𝑄f = Aliran fluida masuk [m3]
𝑡 = Waktu yang dibutuhkan air mencapai volume x liter [s]
𝑈 = Kecepatan fluida [m/s]
Parameter tanpa dimensi
𝐶𝑝 = Coefisient power
𝑇𝑆𝑅 = Tip Speed Ratio
Greek Symbol
𝜓 = Blade arc angle [°]
𝜔 = Kecepatan sudut [rad/s]
𝜌 = Massa jenis air [kg/m3]
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
xv
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 Data Hasil Percobaan .................................................................... 43
Lampiran 2 Perhitungan Hasil Percobaan ......................................................... 48
Lampiran 3 Perhitungan Luas Penampang 1/2 Diameter Lingkaran Pipa ........ 50
Lampiran 4 Prony Break ................................................................................... 51
Lampiran 5 Data Hasil Simulasi ....................................................................... 52
Lampiran 6 Physical Properties of Water (SI Units) ........................................ 62