Pembuatan Alat Bantu Praktek Haryadi, Ali Mahmudi

1

Pembuatan Alat Bantu Praktek Turbin Propeler Kapasitas 600 Watt

Haryadi, Ali Mahmudi

Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Bandung Jln. Gegerkalong Hilir, Ds. Ciwaruga, Bandung

INDONESIA E-mail: haryadi.mesin@polban.ac.id

Abstrak

Alat bantuSelama ini, mahasiswa kurang memiliki gambaran yang memadai mengenai turbin air secara khusus dan PLTA secara umum. Bahkan konsep daya poros, yang terdiri atas aspek torsi dan aspek putaran poros, juga masih belum dipahami dengan baik. Untuk itu perlu dibuat alat bantu praktek yang bisa menjelaskan PLTA yang mengubah energi potensial air menjadi energi listrik, terdiri atas turbin air dan generator. Di samping itu juga perlu dilengkapi dengan sistem pengukur daya poros, yang bisa menjelaskan aspek torsi dan putaran. Alat bantu praktek turbin propeler telah berhasil dibuat dan diuji. Alat bantu praktek tersebut telah digunakan, dan sangat membantu mahasiswa dalam memahami turbin air serta konsep daya mekanik poros yang berputar. Bahkan alat bantu tersebut juga telah digunakan untuk praktek generator listrik. Meskipun demikian alat bantu praktek ini masih memerlukan perbaikan-perbaikan berupa: penggantian dengan ampermeter yang lebih presisi dan penggunaan penyerap daya mekanik yang sesuai, berupa generator yang bisa diatur putarannya secara independen. Kata kunci: turbin propeler, praktek, mikrohidro

1 Pendahuluan

1.1 Kondisi Kelistrikan di Jawa Barat Mata Kuliah Boiler dan Turbin Turbin Air, dengan Kode Mata Kuliah PBME3153 dengan bobot 2 SKS, sebelumnya tidak memiliki alat bantu paraktek, khususnya untuk turbin Kaplan/Propeler. Mata kuliah ini terdiri atas: teori dan praktek masing-masing 2 jam per minggu. Isi mata kuliah ini di antaranya adalah: pengantar, dasar mekanika fluida, turbin-turbin air, praktek dan perawatan. Selama ini, mahasiswa kurang memiliki gambaran yang memadai mengenai turbin air secara khusus dan PLTA secara umum. Bahkan konsep daya poros, yang terdiri atas aspek torsi dan aspek putaran poros, juga masih belum dipahami dengan baik.

Untuk itu perlu dibuat alat bantu praktek yang bisa menjelaskan PLTA yang mengubah energi potensial air menjadi energi listrik, terdiri atas turbin air dan generator. Di samping itu juga perlu dilengkapi dengan sistem pengukur daya poros, yang bisa menjelaskan aspek torsi dan putaran.

1.2 Kondisi Pengembangan Mikrohidro Pertumbuhan ekonomi Indonesia saat ini memerlukan dukungan pasokan energi yang handal termasuk tenaga listrik. Kebutuhan tenaga listrik akan semakin meningkat sejalan dengan perkembangan ekonomi dan pertumbuhan

penduduk. Semakin meningkatnya ekonomi pada suatu daerah mengakibatkan konsumsi tenaga listrik akan semakin meningkat pula. Kondisi ini tentu harus diantisipasi sedini mungkin agar penyediaan tenaga listrik dapat tersedia dalam jumlah yang cukup dan harga yang memadai. Dengan mempertimbangkan asumsi pertumbuhan ekonomi nasional rata-rata tumbuh sebesar 6,1% pertahun dan pertumbuhan penduduk secara nasional tumbuh sebesar 1,3% pertahun, prakiraan kebutuhan tenaga listrik nasional sesuai Rencana Umum Ketenagalistrikan Nasional 2008-2027 diperkirakan akan mencapai rata-rata sebesar 9,2 % per tahun.

Tingginya perkiraan pertumbuhan rata-rata kebutuhan tenaga listrik nasional yang sebesar 9,2% tersebut juga memperhatikan banyaknya daftar tunggu calon pelanggan PT PLN (Persero) yang jumlah kapasitasnya telah mencapai kurang lebih sekitar 6.000 MW akibat diterapkannya pembatasan penjualan tenaga listrik (suppressed demand) pada tahun-tahun sebelumnya.

Dalam upaya memenuhi kebutuhan tenaga listrik di Provinsi Jawa Barat, telah direncanakan tambahan infrastruktur ketenagalistrikan tahun 2010-2014, diataranya adalah pembangunan PLTMH (Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro) dengan daya total 400 kW. (Kementerian ESDM, 2009). Mempertimbangkan hal-hal tersebut, perlu

Pembuatan Alat Bantu Praktek Haryadi, Ali Mahmudi

2

ditingkatkan studi mengenai PLTA, khususnya PLTMH.

1.3 Tujuan Dari sisa peralatan penelitian dan berbagai tugas akhir mahasiswa, akan ditingkatkan menjadi alat bantu praktek turbin Kaplan/propeler, yang bisa juga digunakan untuk penelitian mikrohidro (PLTMH). Penelitian ini bertujuan untuk: menghasilkan alat bantu praktek turbin propeler, dan melakukan studi menganai performansi pada PLTMH turbin propeler.

2 Tinjauan Pustaka

Turbin adalah mesin yang mengubah, atau mengekstraksi energi fluida yang mengalir kontinyu menjadi daya poros. Turbin air mengubah energi air berupa energi potensial maupun kinetik air menjadi daya poros.

Turbin air umumnya digunakan pada pembangkit daya tenaga air dalam bentuk Pembangkit Listrik Tenaga Air. PLTA memiliki kelebihan-kelebihan dibanding dengan PLTU maupun pembangkit listrik lainnya, seperti: mempunyai efisiensi tinggi, fleksibel dalam pengoperasian, keausan relatif rendah, bahan energi masukannya terbarukan dan tidak akan habis selama bisa dijaga kelestariannya, tidak menghasilkan polusi atmosfir, reservoirnya bisa digunakan sebagai cadangan air baku, pariwisata, perikanan maupun irigasi.

Meskipun begitu PLTA juga memiliki kekurangan-kekurangan di antaranya adalah: biaya investasi yang lebih besar, memerlukan lahan yang cukup luas untuk reservoir air sehingga sangat berpotensi untuk menimbulkan masalah sosial dan lingkungan, walaupun suplai sumber energi PLTA berupa adanya air pada ketinggian selalu ada namun pada prakteknya umur waduk terbatas terutama akibat adanya sedimentasi dan berbagai aktifitas manusia lainnya.

2.1 Berbagai Studi mengenai PLTMH Beberapa studi mengenai turbin air skala mikro telah dilakukan, khususnya yang berkaitan dengan PLTMH. Studi hubungan efisiensi terhadap putaran pada turbin Banki menunjukkan bahwa setiap pembukaan sudu pengarah, efisiensi turbin maksimum terjadi pada putaran konstan 550 rpm dimana pada pembukaan sudu pengarah 12° efisiensi turbin mencapai 30,692 %, pada pembukaan sudu pengarah 14° efisiensi turbin mencapai 38,269 %, pada pembukaan sudu

pengarah 16° efisiensi turbin mencapai 45,75 %, pada pembukaan sudu pengarah 18° efisiensi turbin mencapai 68,54 % dan pada pembukaan sudu pengarah 20° efisiensi turbin mencapai 78,906 %. (Andi Ade Larasakti, 2012). Dalam penelitaian ini dilakukan perbandingan antara sudu mangkok dan Sudu Silinder Tertutup Dibelah Dua. Pada putaran yang sama 1500 rpm dimana tegangan dipertahankan 220 Volt, untuk sudu silinder dibelah dua daya maksimal yang dihasilkan 613 Watt, dengan efisiensi 97,67 %. Sudu dengan bentuk sudu silinder dibelah dua lebih efisien digunakan untuk PLMH. (Pamungkas Irwan N dkk., 2006) Sunomo melakukan studi turbin propler berkapaitas 500 Watt. Efisensi maksimum turbin propeler dapat mencapai 71% (Sunomo, 2004). Studi perbandingan propeler yang dibuat secara manual/pengecoran dan CNC menunjukkkan bahwa propeler yang dibuat dengan CNC menghasilkan daya elektrik yang lebih tinggi. (Haryadi dkk., 2012). Studi literatur ini menunjukkan bahwa dimungkinkan untuk membuat berbagai jenis turbin air skala kecil untuk tujuan alat bantu praktek.

2.2 Turbin Propeler Turbin propeler dan Kaplan adalah turbin reaksi. Dimensinya relatif kecil dengan putaran yang tinggi , sehingga bisa menggunakan generator yang relatif kecil dan tidak mahal. Selain itu, turbin propeler dan turbin Kaplan menunjukkan kapasitas overload besar. Air mengalir masuk dalam arah radial, kemudian air akan berbelok dan masuk sudu gerak dalam arah aksial. Perbedaan antara propeler dan turbin Kaplan adalah bahwa turbin propeler tetap memiliki sudu gerak yang tidak dapat disesuaikan posisinya terhadap beban sedangkan turbin Kaplan memiliki sudu gerak yang bisa disesuaikan. Turbin Propeler hanya dapat digunakan pada laju aliran dan head yang relatif konstan, sedangkan turbin Kaplan cukup fleksibel (Flaspöhler, 2007)

3 Metodologi

Skema peralatan bantu praktek turbin proler yang diusulkan dapat dilihat pada Gambar 1. Sebagai alat bantu ajar, alat ini dilengkapi dengan: pipa dari bahan transparan pada bagian turbin, torsi meter, orifis dan manometer, untuk mengukur debit, manometer pada sisi masuk dan keluar turbin, serta photo tachometer secara terpisah. Head dan debit desain turbin adalah 6 meter dan 30 liter/s. Generator yang digunakan dimodifikasi dari motor induksi 3 fasa dengan menambahkan kapasitor, berkapasitas 600 Watt.

Pembuatan Alat Bantu Praktek Haryadi, Ali Mahmudi

3

Gambar 1 Skema alat bantu praktek

3.1 Torsi Meter Daya poros yang dikeluarkan oleh turbin dapat diketahui melalui pengukuran putaran dan torsi pada poros turbin, besarnya adalah: Putaran turbin diukur menggunakan photo-tachometer. Sedangkan torsi diukur dengan torsimeter lengan – bandul yang dipasang pada generator, sebagaimana pada Gambar 2 di bawah ini. Besar torsi dinyatakan oleh persamaan berikut ini: � = � × �

Gambar 2 Skema torsimeter

3.2 Orifis Desain orifis menggunakan standar ISO 5167-2 2003. Dimensi orifis ditentukan berdasarkan diameter pipa (D) sebesar 150 mm dan debit air maksimum sebesar 30 liter/s. Diameter orifis (d) sebesar 90 mm, tebal sisa chamfer (e) adalah 2 mm, tebal plat (E) sebesar 7 mm, dan sudut chamfer (α) adalah 45°, sebagaimana terlihat pada Gambar 3.

Laju aliran massa air yang melewati orifis dinyatakan oleh persamaan:

� = �1 − � �

�4 ���2∆�� Dimana: Q = laju aliran massa fluida

C = Koefisien discharge d = diameter orifis D = diameter pipa ∆p= beda tekanan diantara kedua tapping ρ = massa jenis air β = d/D ε = faktor ekspansi (≈ 1)

Gambar 3 Orifis

Dengan diameter pipa (D) sebesar 150 mm, diameter orifis (d) sebesar 90 mm, dengan demikian diperoleh koefisien discharge (C) sebesar 0,6088 (Tabel A2 ISO 5167-2 2003)

3.3 Propeler Runner dibuat dengan menggunakan CNC, dengan bahan alumunium paduan. Langkah-langkah desain dan pembuatan propeler adalah: menentukan dimensi dasar propeler, melakukan perhitungan profil sudu propeler, pembuatan gambar, pembuatan NC (numercial Code), dan prototype menggunakan CNC. Diameter luar propeler adalah 123 mm, diameter hub sebesar 48,5 mm.

Dalam pembuatan toolpath dan g-code Propeler Turbin Kaplan, penulis menggunakan piranti lunak CAD/CAM. Penggunaan piranti lunak CAD/CAM karena untuk memudahkan penulis saat pembuatan g-code dan dapat langsung mentransfer kode g-code ke mesin CNC HURCO VM2.

Proses pembuatan Propeler Turbin Kaplan di mesin CNC dilakukan dengan dua kali proses pencekaman. Pertama pencekaman bagian bawah propeler untuk mengerjakan permukaan bagian atas propeler dan kedua adalah pencekaman bagian atas propeler untuk mengerjakan permukaan bagian bawah propeler. Sebelum proses eksekusi di mesin CNC, bahan terlebih dahulu dibentuk menggunakan mesin bubut

Pembuatan Alat Bantu Praktek Haryadi, Ali Mahmudi

4

manual agar memudahkan pada saat proses pencekaman dan proses eksekusi di mesin CNC.

4 Pengujian dan Pembahasan

Tekanan pada empat lokasi, yaitu: P1, P2, P3 dan P4. Efisiensi turbin, efisiensi generator, efisiensi keseluruhan (overall) masing-masing adalah:

gQH

PST ρ

η =

s

LG P

P=η

� = �� × ��

Dimana: �� = daya poros �� = daya listrik (V x I) ��= efisiensi turbin ��= efisiensi generator � = efisiensi keseluruhan (overall) � = berat bandul � = Panjang lengan bandul Hasil pengujian ditunjukkan oleh Gambar 4 berikut ini.

Gambar 4 Hasil pengujian

Dari gambar di atas terlihat, bahwa daya turbin mencapai harga poros maksimum sebesar 1076 Watt, pada putaran 2123 rpm, debit sekitar 32,16 liter/s, pada head 5,61 m. Pada kondisi tersebut daya hidrolik adalah 1770 Watt, dengan daya listrik sebesar 484 Watt.

Dari gambar tersebut juga terlihat, bahwa daya turbin mencapai harga listrik maksimum sebesar 592,2 Watt, pada putaran 2077 rpm, debit sekitar 29,35 liter/s, pada head 5,36 m. Pada kondisi tersebut daya hidrolik adalah 1543 Watt, dengan daya poros sebesar 1534 Watt.

Dari gambar kurva efisiensi terhadap putaran terlihat bahwa pada kedua kondisi di atas efisiensi

mekanik turbin mencapai di atas 60%. Hanya saja efisiensi generator menurun pada putaran 2123 rpm, sehingga daya lestrik yang dihasilkan lebih kacil dibandingan dengan 2077 rpm..

5 Kesimpulan dan Saran

Alat bantu praktek turbin propeler telah berhasil dibuat dan diuji. Alat bantu praktek tersebut telah digunakan, dan sangat membantu mahasiswa dalam memahami turbin air serta konsep daya mekanik poros yang berputar. Bahkan alat bantu tersebut juga telah digunakan untuk praktek generator listrik.

Meskipun demikian alat bantu praktek ini masih memerlukan perbaikan-perbaikan: 1. Tingkat kepresisian alat ukur yang digunakan

masih telalu rendah, khususnya ampermeter. Perlu diganti dengan ampermeter yang lebih presisi.

2. Beban daya mekanik poros belum bisa diatur seperti yang dikehendaki, yaitu putaran konstan dengan torsi yang bervariasi.

3. Temperatur bantalan generator naik tinggi untuk pemakaian yang lama. Hal ini disebabkan karena bantalan generator didesain untuk mendukung berat rotor, sementara pada instalasi ini bantalan digunakan untuk menyangga beban stator. Berat stator jauh lebih besar dibandingkan berat rotor.

Dengan demikian perlu dilakukan penelitian lanjutan mengenai penyerap daya mekanik yang sesuai, berupa generator yang bisa diatur putarannya secara independen.

Daftar Pustaka

1. Andi Ade Larasakti, Syukri Himran dan A. Syamsul Arifin, 2012; Pembuatan dan Pengujian Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Turbin Banki Daya 200 Watt, Jurnal Mekanikal, Vol. 3 No. 1: Januari 2012: 245-253

2. Dietzel, Fritz, 1998; Turbin Pompa dan Kompresor, Erlangga. Jakarta

3. Flaspöhler ,Timo, 2007 Design of the Runner of a Kaplan Turbine for Small Hydroelectric Power Plants, Final Thesis Tampere University of Applied Scienes, Tampere, Finland

4. Haryadi, Deni Mulyana, 2012; Pengujian Runner Turbin Propeler yang Dibuat

Pembuatan Alat Bantu Praktek Haryadi, Ali Mahmudi

5

Menggunakan CNC, Jurnal Metrik Polban No. 1 Vol. 6, Januari 2012

5. Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral RI, 2009; Master Plan Pembangunan Ketenagalistrikan 2010 s.d. 2014, Jakarta, Desember 2009

6. Pamungkas Irwan N, Franciscus Asisi Injil P, Karwanto, Samodra Wasesa Jurusan Teknik Mesin; Rancang Bangun Turbin Pelton untuk Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro dengan Variasi Bentuk Sudu, Universitas Muhammadiyah Malang, Pimnas 2006

7. Purwanto, 2011; Analisis Finansial dan Ekonomi Pembangkit Listrik Mikrohidro di Beberapa Lokasi, Propinsi Jawa Tengah, Indonesia, Jurnal Penelitian Sosial dan Ekonomi Kehutanan Vol. 8 No. 4 Desember 2011, Hal. 251 – 264

8. Sunomo, 2004; Karakteristik Turbin Propeler Skala Mikrohidro untuk Mesin Percobaan, Forum Penelitian Juni, 2004, Thn. 16, No. 1, pp. 51 – 67.