PROYEK DISAIN TEAM I UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG FAKULTAS TEKNIK - JURUSAN TEKNIK MESIN PERANCANGAN TURBIN AIR TURBIN AIR TIPE PROPELLER POROS HORISONTAL FORZA TANGGAL SELESAI <MOCH. RIZKY FEBRIAN> /201010120311137 <WITRIANTO> /201010120311132 <ALFADIN RIZKI FIRDAUS> /201010120311131 Disusun untuk memenuhi syarat lulus matakuliah Proyek Disain Team I dan sebagai persyaratan untuk mengikuti matakuliah Proyek Disan Tim II di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Malang
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
PROYEK DISAIN TEAM I UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
FAKULTAS TEKNIK - JURUSAN TEKNIK MESIN
PERANCANGAN TURBIN AIR
TURBIN AIR TIPE PROPELLER POROS HORISONTAL
FORZA
TANGGAL SELESAI
<MOCH. RIZKY FEBRIAN> /201010120311137
<WITRIANTO> /201010120311132
<ALFADIN RIZKI FIRDAUS> /201010120311131
Disusun untuk memenuhi syarat lulus matakuliah Proyek Disain Team I dan sebagai persyaratan untuk mengikuti matakuliah Proyek Disan Tim II di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Malang
PENGESAHAN
Nama TIM : Forza
PERANCANGAN : Turbin Air
JUDUL DISAIN :
No Nama NIM Telp/HP/email1 Moch. Rizky Febrian 2010101203111372 Witrianto 2010101203111323 Alfadin Rizki Firdaus 201010120311131
KATA PENGANTAR....................................................................................................................................................................4
DAFTAR ISI................................................................................................................................................................................... 5
BAB I IDENTIFIKASI POTENSI.............................................................................................................................................6
BAB II DESAIN BANGUNAN UTAMA..................................................................................................................................9
2.1. Perhitungan Kasar Potensi Energy Air Dan Listrik.................................................................................9
BAB III DESAIN TURBIN.......................................................................................................................................................15
BAB IV GAMBAR DETAIL..................................................................................................................................................... 25
DAFTAR PUSTAKA..................................................................................................................................................................26
Pembangkit listrik yang ramah lingkungan serta tidak menimbulkan pencemaran udara
mulai banyak digunakan, salah satu contoh dengan memanfaatkan aliran sungai sebagai
sumber energi utamanya. PLTMH (Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro) merupakan
instalasi pembangkit yang menggunakan energi air. PLTMH berbeda dengan PLTA yang
banyak digunakan saat ini, yang membedakan ialah dari daya yang dihasilkan. PLTMH
PROYEK DISAIN TEAM I | BAB I IDENTIFIKASI POTENSI 7
menghasilkan daya hanya dalam Kilo Watt (KW) sedangkan PLTA menghasilkan daya
mencapai Mega Watt (MW).
(http://library.gunadarma.ac.id)
Kondisi air yang bisa dimanfaatkan sebagai sumber daya (resources) penghasil listrik
adalah memiliki kapasitas aliran dan ketinggian tertentu dari instalasi(pemasangan).
Semakin besar kapasitas aliran maupun ketinggiannya dari instalasi maka semakin besar
energi yang bisa dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik. Pembangunan PLTA
berskala besar membutuhkan biaya awal yang besar sementara biaya operasinya sangat
kecil. Hal ini berbeda dengan pembangkit listrik berbahan bakar fosil seperti batu bara dan
diesel.
( Abdul Wahid, Muh.,”Perbandingan Biaya Pembangkitan Pembangkit Listrik di
Indonesia”.)
Pembangkitan listrik tenaga air (PLTA) memiliki ketergantungan pada jumlah air yang
tersedia. Sebab debit air inilah yang menentukan pergerakan kincir yang menghasilkan
energi listrik yang dinikmati masyarakat. Jika debit air cukup banyak, maka energi yang
diciptakan / dihasilkan listrik juga besar. Demikian pula sebaliknya jika debit air berkurang
atau surut, maka berakibat pasokan listrik ke masyarakat juga berkurang atau terbatas.
Dampaknya masyarakat sering mengalami pemadaaman demi menjaga pasokan listrik,
maka perncanaan awal pembangkitan ini sangat penting.
PROYEK DISAIN TEAM I | BAB I IDENTIFIKASI POTENSI 8
BAB II DESAIN BANGUNAN UTAMA
2.1. Perhitungan Kasar Potensi Energy Air Dan Listrik
Potensi Air dari diagram debit rata-rata tahunan maka kami menetapkan debit air yang dapat dipergunakan dan dipercayai yaitu sebesar 1200 l/s atau 1.2 m/s3, karena kesetabilan debit air untuk jangka 1 tahun lebih stabil dan pasti, tidak kekurangan air.
Rumus perhitungan daya yang dihasilkan:
(Patty, 1995: 62)
dimana:
P= daya(W)
q =debit (m3/s)
H = selisih ketinggian (m)
rair = massa jenis air
P=r air × g ×Q × H
¿1000 ×9,81 × 0,6× 8
= 47088 W = 47,088KW
Untuk memperkirakan daya yang hilang dari efisiensi 100 % kita ambil 50 %.
Jadi P=47,0882
=23,544 KW
Perkiraanbiayabeban listrik yang diperuntukkan oleh konsumen dibuat 900 Watt per rumah
Daya pertahun = 23,544 KW x 24 jam x 365 hari = 206245,44 KWh/tahun
Daya perumah pertahun = 0,9KW x 24 jam x 365 hari = 7884 kWh/tahun
Berati PLTA yang dikerjakan dapat digunakan adalah
¿ daya per tahundaya perrumah
=206245,447884
=26,16 = 26 rumah
PROYEK DISAIN TEAM I | BAB I IDENTIFIKASI POTENSI 9
2.2. Pemilihan Jenis Turbin Air
Pemilihan jenis turbin berdasarkan tinggi jatuh efektif dan jumlah debit :
Head yang rendah (h<40 m) tetapi debit air besar, maka turbin Kaplan atau Propeller cocok digunakan pada kondisi ini.
Head yang sedang (30<h<200 m) dan debit relatif cukup, maka digunakan turbin Francis atau Cross Flow.
Head yang tinggi (h>200 m) dan debit sedang, maka digunakan turbin Pelton
Pada saat merencanakan jenis turbin,factor yang paling menentukan adalah besar debit dan beda tinggi yang tersedia. Dengan debit andalan sebesar 1,2 m3/dt dan tinggi jatuh efektif 26 meter. Maka jenis turbin yang digunakan adalah cross flow yang memiliki spesifikasi dengan tinggi jatuh efektif 5 – 100 m dan debit 0,2 – 2000 m3/dt.
Konsep Desain Bangunan (site plan)
Bak Pelimpah
PROYEK DISAIN TEAM I | BAB I IDENTIFIKASI POTENSI 10
15
8
5
Bak Pelimpah
2.3. Penstock Dan Kelengkapannya2.3.1. Perencanaan pipa pesat (penstock)
Penggunaan pipa pesat dalam perencanaan mikrohidro selain untuk mengarahkan debit air menuju turbin, juga untuk menjaga besarnya debit yang mengalir. Ada beberapa besaran yang harus dicari untuk memastikan agar pipa pesat dapat bekerja secara optimal.
2.3.2. Desain Aliran Air
PROYEK DISAIN TEAM I | BAB I IDENTIFIKASI POTENSI 11
a. Perencanaan Diameter Pipa Pesat
\
dimana:
= kecepatan aliran (m3/s)
g = grafitasi(m2/s)
H = head (m)
dimana:
D = diameter pipa pesat
Q = debit andalan (m3/dt)
= material
H = head (m)
m = 700 mm
PROYEK DISAIN TEAM I | BAB I IDENTIFIKASI POTENSI 12
η = Efisiensi sambungan las (0,9 untuk pengelasan dengan inspeksi x-ray
dan 0,8 untuk pengelasan biasa )
ε = Korosi plat yang diijinkan (1-3 mm)
c. Perencanaan Posisi Pengambilan
Viskositas kinematik air pada suhu normal (27oC)
v= 8,7x10-7= 0,0000061 m2/s
Bilangan reynold :ℜ=dVv
= 0,66 x11,720,0000061
= 1268065,6
Dimana:
Re = Bilangan Reynold
d = Diameter dalam pipa (m)
V = Kecepatan aliran dalam pipa (m3/s)
v = Viskositas kinematik fluida (m2/s)
Faktor gesekan : f=64ℜ = 64
1268065,6=0,0000505
PROYEK DISAIN TEAM I | BAB I IDENTIFIKASI POTENSI 13
Hlosses = fLd
xV 2
2 g=¿0,0000505
16,50,66
x11,722
2.9,81=¿0,009 m
Hbruto adalah = 8 meter
Hlosses = 10% x Hbruto
= 10% x 8
= 0,8 meter
Sehingga didapat tinggi jatuh efektif sebesar
Heff = Hbruto - Hlosses
= 8 - 0,8 = 7,2 meter
2.4. Rumah Pembangkit Dan Tailrace
2.10.1 Bangunan rumah pembangkit
Bangunan rumah pembangkit direncanakan berupa bangunan permanen dengan ukuran panjang x lebar x tinggi = 3 m x 3 m x 4 m; memakai atap seng gelombang, pondasi batu kali, dinding batu bata, pintu tripleks, dan lantai beton rabat diaci.
PROYEK DISAIN TEAM I | BAB I IDENTIFIKASI POTENSI 14
PROYEK DISAIN TEAM I | BAB I IDENTIFIKASI POTENSI 15
BAB III DESAIN TURBIN
3.1. Desain Runner dan Guide Vane
Jenis turbin yang kita pakai disini adalah turbin kaplan.
Jenis turbin Putaran nominal (N)
Semi kaplan, single regulator 75-100
Kaplan, doubleregulated 75-150
Small-medium kaplan 250-700
Francis (medium & high
head)500-1500
Francis(low head) 250-500
Pelton 500-1500
Crossflow 100-1000
Turgo 600-1000
Ns=N √PH 5 /4
Ns=600 x √23,547,25 /4
Ns = 600 x 4,8511,8
Ns = 246,61 Rpm
Menghitung diameter luar runner
D= (66,76+0,136 . Ns ) √ HeffN
D= (66,76+0,136 .246,61 ) √7,2600
D = 100,3 x 0,004
D= 0,4012 m =401,2 mm
(ITS non degree-13237.pdf)
PROYEK DISAIN TEAM I | BAB I IDENTIFIKASI POTENSI 16
Menghitung tinggi guide vane (B)Q = V * A0,6 m3/s=√2g h .A
A=0,6
√2 g h =
0.6
√2.9,81 .8 = 0,047 m = 47 mm
Menghitung diameter hub (d)d hD
= 0,5
d h = 0,5*D= 0,5*0,4851= 0,24255 m = 242,55 mm
Segitiga Kecepatan Pada Runner dan Guide Vane
Menghitung jari-jari potongan ke-1
R1 = [ D−rX ]
= [ 0 , 4851−0,242551 ]
= 0,24255 m = 242,55 mm
PROYEK DISAIN TEAM I | BAB I IDENTIFIKASI POTENSI 17
Menghitung kecepatan sudut
ω = N∗2∗π
60
= 600∗2∗3,14
60
= 62,8 ≈ 62 m/dt
Menghitung kecepatan kelilingU1 = ω*R1
= 62*0,24255
= 15,038 ≈ 15 m/dt
Menghitung kecepatan keliling spesifik
u1 =U 1
√2∗g∗H eff
= 15
√2∗9,81∗7,2
= 1,26 m/dt
Menghitung kecepatan meridian
Cm = Q
π∗( D−r )
= 0.6
3,14∗(0 , 4851−0,24255)
= 0,78 m/dt
Menghitung kecepatan meridian spesifik
cm = Q
π∗( D2−r2 )
= 0.6
3,14∗(0,48512−0,242552)
= 1,08 m/dt
Menghitung kecepatan indikatif spesifik
Ci2 = ηh+C22
PROYEK DISAIN TEAM I | BAB I IDENTIFIKASI POTENSI 18
= 0,108+(2,792)
= 7,89 m/dt
Penentuan profil potongan blade
Dari gambar segitiga kecepatan potongan ke-1 didapat data sebagai berikut :
N R₁ (m)
u₁=u₂
(m/dt)
Cm
(m/dt)
Cm
(m/
dt
ω
(m/
dt)
60
0
0,2425
51,26 0,78 1,08 62
Menentukan sudut bilah
β = (90 -β⁰ ͚)+α͚⁰= (90-25)+35= 100⁰
Menghitung panjang chord
l = 2∗π∗R1
(ω+1 )∗sinβ
= 2∗3,14∗0,24255(62+1 )∗sin 100
= 0,024 m = 24 mmMenghitung jarak antar blade
t’ = 2∗π∗R1
ω
= 2∗3,14∗0,24255
62= 0,024 m =24 mm
Perancangan guide vane
Data awal yang digunakan untuk merancang guide vane antara lain :
- Putaran spesifik (Ns) = 246,61rpm
- Diameter runner (D) = 0,36 m = 360 mm
- Debit (Q) = 0.6 m/dt
- Head efisiesi (Heff) = 7,2 m
- Tinggi guide vane (B) = 47 mm
- Menentukan jumlah blade guide vane
PROYEK DISAIN TEAM I | BAB I IDENTIFIKASI POTENSI 19
ZGV = ( 14∗√1000∗D+4)
= ( 14∗√1000∗0,36+4 )
= 4,76 ≈ 5
Menghitung diameter inlet guide vane
F1 = (1,45+72,17
N s)∗D
= (1,45+ 72,17246,61 )∗0,36
= 0.6 m
Menghitung diameter outlet guide vane
G1 = (1,29+41,63
N s)∗D
= (1,29+ 41,63246,61 )∗0,36
= 0.52 m
Menghitung jarak antara guide vane pada sisi inlet guide vane
t’inlet = π∗F1
ZGV
= π∗0.6
5
= 0,37
Menghitung jarak antara guide vane pada sisi outlet guide vane
t’outlet =
π∗G1
ZGV
= π∗0.53
5
= 0,33
Menghitung kecepatan keliling runner pada diameter terluar
U = 2∗π∗N
60∗R
= 2∗π∗600
60∗0,18
= 11,3 m/dt
PROYEK DISAIN TEAM I | BAB I IDENTIFIKASI POTENSI 20
Dinyatakan dalam kecepatan spesifik
u = u
√2∗g∗H eff
= 11,3
√2∗9,81∗7,2
= 0,95 m/dt
Menghitung kecepatan tangential inlet runner
Cu =ηt∗g∗H eff
u
= 0,5∗9,81∗7,2
0,95
= 37,17 m/dt
Menghitung kecepatan tangential outlet guide vane
Cuo = Cu∗D
G1
= 37,17∗0,36
0.52
= 25,73 m/dt
Menghitung kecepatan tangential inlet guide vane
Cui = Cu∗D
F1
= 37,17∗0,36
0,6
= 22,3 m/dt
PROYEK DISAIN TEAM I | BAB I IDENTIFIKASI POTENSI 21
Menghitung kecepatan meridional inlet
Cmi =Q
π∗F1∗B
= 0.6
π∗0.6∗0,047
= 6,77 m/dt
Menghitung kecepatan meridional outletlet
Cmo = Q
π∗G1∗B
= 0,6
π∗0.52∗0 ,047
= 7,81 m/dt
Menghitung sudut inlet guide vane
αi = tan−1( Cui
Cmi)
= tan−1( 22,36,77 )
= 73,1°
Menghitung sudut outlet guide vane
αi = tan−1( Cuo
Cmo)
= tan−1( 25,737,81 )
PROYEK DISAIN TEAM I | BAB I IDENTIFIKASI POTENSI 22
= 73,1°
3.2. Poros Utama
Sebagaimana yang telah dijelaskan di atas bahwa poros turbin berfungsi untuk
memindahkan daya dari putaran turbin. Beban yang diterima oleh poros turbin antara lain
beban puntir, sehingga dengan adanya beban ini maka akan terjadi tegangan puntir sebagai
akibat dari adanya momen puntir(Sularso, 1994 1 Momen puntir pada turbin dapat
dinyatakan dengan persamaan :
Mp =
Pw
Dimana :
Mp = Momen puntir (N.mm)
P = Daya yang ditransmisikan (Hp)
w = Kecepatan sudut (Hp)
N = Kecepatan putaran turbin (Hp)
w = 2*π*N
= 2*π*600
= 3768 Hp
Mp = 55,263768
= 0,01466 kNm/s
4. (Stolk,1993 :170)
Tegangan puntir dapat dinyatakan dengan persamaan :
τ a=σ b
Sf 1 Sf 2
Dimana :
τ a = Tegangan izin poros (N/mm2)
σ b = Tegangan tarik bahan poros (N/mm2)
= Poros dibuat dari baja C-45 dengan ultimate tensile stress
7000 kg/cm2
Sf1 = Faktor kelelahan puntir
Sf2 = Faktor keamanan karena poros dibuat bertingkat dan diberi pasak
τa=
σ b
Sf 1∗Sf 2
PROYEK DISAIN TEAM I | BAB I IDENTIFIKASI POTENSI 23
τa= 7000
6∗1 ,3
= 1489N.mm²
Harga Sf1 untuk bahan poros SF = 5,6 dan untuk bahan poros S-C = 6, sedangkan harga
dariSf2berkisar sekitar 1,3 sampai 3 (Sularso,1994 :8).
Untuk diameter poros turbin dapat dinyatakan dalam persamaan :
d =[ 5,1 K t M p
τa]1
3
Dimana :
d = Diameter poros (m)
τ a = Tegangan izin poros (N/mm2)
Mp = Momen torsi yang diterima poros (N.mm)
Kt = Faktor koreksi untuk momen puntir
(Sularso,1994 :8)
d=[ 5,1∗K t∗M p
τa ]13
d=[ 5,1∗3∗0,014661489 ]
13
= 0,05m = 50 mm
Untuk beban yang dikenakan secara halus harga Kt = 0,1 untuk beban yang digunakan
sedikit kejutan dan tumbukan harga Kt = 1,0 – 1,5 dan jika beban yang dikenakan dengan
kejutan atau tumbukan harga Kt = 1,3 – 3,
Disamping hal–hal diatas, pemilihan bahan poros juga merupakan hal yang sangat penting dalam perencanaan poros.
3.3. Disain Rumah Turbin
3.4. System Pengaturan (Pilihan)
PROYEK DISAIN TEAM I | BAB I IDENTIFIKASI POTENSI 24
Fungsi Guide vane (sudu antar)
Fungsi guide vane (sudu antar) adalah untuk mengatur kapasitas air munuju runner turbin
dengan arah dan kecepatan tertentu. Untuk arah kecepatan dan kapasitas air yang munuju
runner sepangjang busur jatuhnya tegak lurus. Perencanaan ini pada dasarnya untuk
menentukan sudu antar. Bagian terpenting sudu antar adalah bagian sisi keluarnya, walaupun
demikian bagian yang lain harus memenuhi persyaratan didalam perencanaan, agar kerugian
yang ditimbulkan sekecil mungkin. Sebagai dasar perencanaan ditentukan oleh bentuk dan
dimensi sudu antar tersebut. Untuk sisi permukaan dari sudu antar (guide vane) dibuat
sehalus mungkin dan dipilih bahan yang betul – betul sesuai dengan kriteria yang telah
ditentukan diantaranya yaitu kekuatan bahanya.
Perhitungan Dimensi Guide Vane
Sistem pengendali untuk mengatur jalanya runner dan banyaknya air yang dialirkan
menggunakan sudu antar yang diatur secara manual karena turbin ini diusahakan
sesederhana mungkin. Karena itu jumlah sudu antar dari turbin hanya 1 buah.
PROYEK DISAIN TEAM I | BAB I IDENTIFIKASI POTENSI 25
3.6. Transmisi Mekanikal
i=n2
n1
Dimana;
i = perbandingan putaran (rpm)
n1 = putaran poros pada turbin (rpm) = 253 rpm
n2 = putaran poros pada generator (rpm) = 375 rpm
i=n2
n1
=375253
=1,4 rpm
Maka perbandingan putaran (i)
i=d p
dr
=nr
np
Dimana;
i = perbandingan putaran (rpm)
dp = diameter poros pada turbin (rpm)
dr = diameter poros generator (rpm)
nr = putaran poros pada generator (rpm)
np = putaran poros pada turbin (rpm)
i=d p
dr
=nr
np
=375253
=32
(Perbandingan puli )3 :2
PROYEK DISAIN TEAM I | BAB I IDENTIFIKASI POTENSI 26
BAB IV GAMBAR DETAIL
Site Plan PLTMH
Bak Pelimpah
Bendungan Penyaring Kotoran
Penstock
Power House
Tailrace
PROYEK DISAIN TEAM I | BAB I IDENTIFIKASI POTENSI 27
DAFTAR PUSTAKAA Harvey & A Brown, Micro-hydro Design Manual, ITDG Publishing, 1992. Arismunandar, W, Turbin, Penerbit ITBArthur Williams, Pumps as Turbines - A users guide, ITDG Publishing, 1995. Deutschman, Aaron D., Michels, Walter J. and Wilson, Charles E. Machine Design theory and practice. Dietzel, Fritz. 1996. Turbin,Pompa dan Kompressor. Jakarta: Erlangga. El-Wakil, M.M, Powerplant Technology, McGraw-HillITDG Publishing, 1985. Small hydro Power in China, Khurmi R.S. Hydraulic Machines, S & Chand Co, New DelhiJeremy Thake, The Micro-hydro Pelton Turbine Manual: Design, Manufacture and Installation for Small-scale Hydropower, ITDG Publishing, 2000. Nechleba, Miroslav. 1957. Hydraulic Turbine Their Design and Equipment. Czeckoslovakia: Artia Pragu. P Fraenkel, O Paish, V Bokalders, A Harvey & A Brown,Micro-hydro power: A guide for development workers, ITDG Publishing, IT Power, Stockholm Environment Institute, 1991. Paryatmo, Wibowo.2002. Turbin Air. Jakarta: Graha Ilmu Sularso. Suga, Kiyokatsu.1991. Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin 10th edition. Jakarta : PT. Pradnya Paramita Warnick,C.C. 1984. Hydropower Engineering. New Jersey: Prentice Hall Inc, Englewood Cliffs www.matweb.com.2009.MechanicalProperties.(http://www.matweb.com/mechanicalproperties): 1 Juli 2009 www.chinaeastwell.com/enchinaeastwell/ecpxl_to.asp?id=54www.owlnet.rice.edu/~mech401/Shigley8th%20Gears%20Chp13.doc
PROYEK DISAIN TEAM I | BAB I IDENTIFIKASI POTENSI 28