ii

PENGARUH VARIASI KEMIRINGAN PROPELLER

TERHADAP EFISIENSI TURBIN ULIR

Skripsi

diajukan sebagai salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin

Oleh

Faris Aji Sakya Putra

NIM.5212412012

TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG

2019

iii

iv

v

PERNYATAAN KEASLIAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa:

1. Skripsi ini, adalah asli dan belum pernah diajukan untuk mendapatkan

gelar akademik (sarjana, magister, dan/atau doktor), baik di Universitas

Negeri Semarang (UNNES) maupun di perguruan tinggi lain.

2. Karya tulis ini adalah murni gagasan, rumusan, dan penelitian saya sendiri,

tanpa bantuan pihak lain, kecuali arahan Pembimbing dan masukan Tim

Penguji.

3. Dalam karya tulis ini tidak terdapat karya atau pendapat yang telah ditulis

atau dipublikasikan orang lain, kecuali secara tertulis dengan jelas

dicantumkan sebagai acuan dalam naskah dengan disebutkan nama

pengarang dan dicantumkan dalam daftar pustaka.

4. Pernyataan ini saya buat dengan sesungguhnya dan apabila di kemudian

hari terdapat penyimpangan dan ketidakbenaran dalam pernyataan ini,

maka saya bersedia menerima sanksi akademik berupa pencabutan gelar

yang telah diperoleh karena karya ini, serta sanksi lainnya sesuai dengan

norma yang berlaku di perguruan tinggi ini.

Semarang, 9 Mei 2019

Faris Aji Sakya Putra

NIM. 5212412012

vi

MOTTO DAN PERSEMBAHAN

Motto

1. "Apabila Anda berbuat kebaikan kepada orang lain, maka Anda telah

berbuat baik terhadap diri sendiri." (Benyamin Franklin)

2. "Orang-orang hebat di bidang apapun bukan baru bekerja karena mereka

terinspirasi, namun mereka menjadi terinspirasi karena mereka lebih suka

bekerja. Mereka tidak menyia-nyiakan waktu untuk menunggu inspirasi."

(Ernest Newman)

3. "Orang-orang yang sukses telah belajar membuat diri mereka melakukan

hal yang harus dikerjakan ketika hal itu memang harus dikerjakan, entah

mereka menyukainya atau tidak." (Aldus Huxley)

4. "Kebanyakan dari kita tidak mensyukuri apa yang sudah kita miliki, tetapi

kita selalu menyesali apa yang belum kita capai." (Schopenhauer)

5. "Musuh yang paling berbahaya di atas dunia ini adalah penakut dan

bimbang. Teman yang paling setia, hanyalah keberanian dan keyakinan

yang teguh." (Andrew Jackson)

6. "Sesuatu yang belum dikerjakan, seringkali tampak mustahil; kita baru

yakin kalau kita telah berhasil melakukannya dengan baik." (Evelyn

Underhill)

Persembahan

Skripsi ini saya persembahkan kepada:

1. Tuhan Yesus Kristus

2. Almamater UNNES yang selalu saya banggakan

3. Ayah, ibu, dan adik tercinta

4. Dosen pembimbing skripsi I dan II

5. Teman-teman yang selalu membantu dan

menyemangati

6. Keluarga mahasiswa Teknik Mesin S1 angkatan 2012

vii

SARI

Putra, F., Aji. 2018. Pengaruh Variasi Kemiringan Propeller terhadap Turbin

Ulir. Skripsi. Jurusan Teknik Mesin Universitas negeri Semarang. Dr.Ir. Basyirun,

S.Pd., M.T., IPP, dan Danang Dwi Saputro, S.T., M.T.

Kata kunci: Screw, Propeller, Sudut kemiringan, Debit aliran air, Efisiensi

Turbin ulir atau screw (archimedean turbine) merupakan salah satu

turbin dalam pembangkit listrik tenaga mikro hidro. Turbin ulir sangat berpotensi

digunakan untuk sumber energi listrik di Indonesia karena banyaknya jumlah

sumber-sumber air yang sebagian besar hanya memiliki debit yang kecil dan head

yang rendah. Tujuan penelitian ini yaitu untuk mengetahui seberapa besar

pengaruh sudut kemiringan propeller sebagai parameter kerja turbin terhadap

daya aliran, daya mekanis, dan efisiensi turbin.

Selanjutnya, data hasil pengujian disajikan dengan metode analisis

deskriptif. Metode analisis deskriptif dalam penelitian ini dilakukan dengan

pengujian dan pengamatan secara langsung pengaruh sudut kemiringan propeller

yang berbeda terhadap efisiensi turbin. Pengambilan data dilakukan dengan

mengalirkan air dengan variasi debit yang ditentukan menuju propeller turbin

dengan perubahan sudut kemiringan 250, 300, 350, dan 400. Tachometer digunakan

untuk mengetahui data putaran yang dihasilkan yang kemudian mencari data daya

mekanis, daya aliran, dan efisiensi menggunakan persamaan teoritis.

Pengujian pengaruh perubahan kemiringan sudut propeller terhadap

kinerja turbin yang meliputi daya aliran, daya mekanis, dan efisiensi pada variasi

debit aliran didapatkan hasil maksimal pada sudut 300. Kemiringan sudut

propeller tersebut menunjukkan optimalisasi desain turbin penelitian ini, dengan

nilai efisiensi mencapai 80,66% dengan masing-masing daya aliran dan daya

mekanis tertinggi sebesar 609,69 Watt dan 10242,22 Watt.

viii

PRAKATA

Segala puji syukur hanya bagi Tuhan Yesus Kristus, oleh anugerah-Nya yang

melimpah, kemurahan dan kasih setia yang besar akhirnya penulis dapat

menyelesaikan kegiatan penulisan skripsi dengan judul “PengaruhVariasi

Kemiringan Propeller Terhadap Efisiensi Turbin Ulir”. Penulis mengucapkan

terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dan memberikan

dukungannya dalam proses penulisan dan penyusunan proposal skripsi, yang

tidak dapat disebutkan satu persatu. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan

terima kasih kepada :

1. Rusiyanto, S.Pd., M.T. selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UNNES yang

telah memberikan fasilitas dalam menyelesaikan studi di jurusan Teknik Mesin

FT UNNES.

2. Samsudin Anis, S.T., M.Ph.D. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin S1

yang telah memberikan fasilitas dalam menyelesaikan studi di jurusan Teknik

Mesin FT UNNES.

3. Basyirun, S.Pd., M.T. dan Danang Dwi Saputro, S.T, M.T. selaku dosen

pembimbing skripsi yang selalu dengan sabar memberikan saran dan motivasi

dalam penulisan skripsi ini.

4. Ayah, dan Ibu, dan seluruh keluarga yang selalu mendoakan, memberikan

bantuan moral dan material dalam penyusunan skripsi ini.

5. Kepada semua pihak yang telah membantu penulis baik secara langsung

maupun tidak langsung, yang tidak dapat disebutkan satu-persatu.

ix

Karena banyaknya masalah dan hambatan yang terjadi, maka penulisan

skripsi ini jauh dari kata sempurna. Penulis memohon maaf atas

ketidasempurnaan penulisan agar segara dapat menuntaskan mata kuliah skripsi,

agar segera mendapat gelar Sarjana Teknik. Penulis harapkan kritik dan saran

yang bersifat membangun dari semua pihak guna untuk menyempurnakan

selanjutnya.

Kepada Tuhan segalanya kembali dan kesempurnaan hanya milik-Nya

dan semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi semua pihak, bagi penulis

khususnya dan pembaca pada umumnya

Semarang, 9 Mei 2019

Penulis

x

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ............................................................................... i

PERSETUJUAN PEMBIMBING ........................................................... ii

PERNYATAAN ....................................................................................... iii

PENGESAHAN........................................................................................ iv

MOTO DAN PERSEMBAHAN .............................................................. v

PRAKATA ............................................................................................... vii

SARI ......................................................................................................... ix

DAFTAR ISI ............................................................................................ xi

DAFTAR SINGKATAN dan LAMBANG .............................................. xv

DAFTAR TABEL .................................................................................... xvi

DAFTAR GAMBAR ................................................................................ xxx

DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................ xviii

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang ......................................................................... 1

1.2. Identifikasi Masalah ................................................................. 4

1.3. Pembatasan Masalah................................................................. 5

1.4. Rumusan Masalah .................................................................... 6

1.5. Tujuan Penelitian ...................................................................... 6

1.6. Manfaat Penelitian .................................................................... 7

BAB II KAJIAN PUSTAKA

2.1. Penelitian yang Relevan ............................................................ 7

2.1.1.Penelitian Mengenai Turbin Ulir ...................................... 7

2.1.2. Penelitian mengenai Turbin Screw dengan Parameter sudut

ulir ................................................................................ 7

2.2. Kajian Teori .............................................................................. 9

BAB III METODE PENELITIAN

3.1. Waktu dan Tempat Penelitian ................................................ 49

3.2. Desain Penelitian ................................................................... 52

xi

3.3. Alat dan Bahan Penelitian ......................................................... 53

3.4. Parameter Penelitian ................................................................. 53

3.5. Teknik Pengumpulan Data ........................................................ 53

3.6. Kalibrasi Instrumen .................................................................. 61

3.7. Teknik Analisis Data ................................................................ 62

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

4.1. Hasil Penelitian ....................................................................... 63

4.2. Pembahasan ............................................................................ 64

4.2.1. Perubahan Sudut Propeller ............................................. 64

4.2.2. Pengaruh Variasi Sudut terhadap Efisiensi Putaran

Turbin ........................................................................... 66

4.2.3. Perubahan Debit Air....................................................... 67

4.2.4. Pengaruh Debit Air terhadap Efisiensi Putaran Turbin.... 69

BAB V PENUTUP

5.1. Simpulan ................................................................................. 85

5.2. Saran ...................................................................................... 86

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................... 87

LAMPIRAN ............................................................................................. 91

xii

DAFTAR SINGKATAN dan LAMBANG

Pw Daya aliran air

ρ Massa jenis air (kg/m3)

g Percepatan gravitasi (m/s2)

h Head (m)

Q Debit Aliran (m3/detik)

Pm Daya Mekanis (watt)

T Torsi propeller (Nm)

ω Kecepatan sudut propeller (m/s)

n Putaran propeller turbin (rpm)

η Efisiensi

xiii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Perbandingan Efisiensi Turbin Ulir dengan Turbin lainnya .......... 13

Tabel 2.2. Parameter Ulir Archimedes .......................................................... 14

Tabel 3.1. Data Penelitian ............................................................................ 27

Tabel 3.2. Pengambilan Data Penelitian ....................................................... 29

Tabel 3.3. Kalibrasi Flowmeter Air 15-50lpm .............................................. 30

Tabel 4.1. Data Perubahan Sudut terhadap Putaran Propeller yang dihasilkan pada

Debit Aliran yang berbeda ........................................................... 34

Tabel 4.2. Data Perubahan Sudut terhadap Torsi yang dihasilkan pada Debit

Aliran yang berbeda ..................................................................... 35

Tabel 4.3. Data Perubahan Sudut terhadap Daya Aliran yang dihasilkan pada

Debit Aliran yang berbeda ............................................................ 36

Tabel 4.4 Data Perubahan Sudut terhadap Daya Mekanis yang dihasilkan

pada Debit Aliran yang berbeda ................................................... 36

xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Grafik Hasil Penelitian dengan Variasi Sudut terhadap Efisiensi

Turbin ...................................................................................... 8

Gambar 2.2. Grafik Efisiensi Putaran Maksimum Turbin dari Variasi Sudut

Propeller dan Variasi Debit Aliran .......................................... 9

Gambar 2.3 Bentuk Energi pada Aliran Air .................................................. 10

Gambar 2.4 Turbin Ulir ................................................................................ 12

Gambar 2.5. Skema Trigonometri nilai Head ............................................... 17

Gambar 3.1. Diagram Skematis Rangkaian Peralatan Eksperimen ................ 18

Gambar 3.2. Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian ....................................... 19

Gambar 3.3 Tangki Air yang Digunakan dalam Penelitian ........................... 20

Gambar 3.4. Pompa Air yang Digunakan dalam Penelitian .......................... 21

Gambar 3.5. Dimensi dan Rancangan Turbin Ulir Penelitian ........................ 22

Gambar 3.6. Pipa PVC Penelitian ................................................................. 23

Gambar 3.7. Model Roller Bearing NTN yang Digunakan ........................... 23

Gambar 3.8. Flowmeter Digital Penelitian .................................................... 24

Gambar 3.9. Tachometer dalam Penelitian ................................................... 25

Gambar 3.10. Katup Air tipe Ball Valve yang Digunakan dalam Penelitian .. 26

Gambar 3.11. Hubungan Debit Flowmeter Air dengan Debit Aktual ............ 31

Gambar 4.1 Grafik Perubahan Sudut Terhadap Putaran Turbin .................... 37

Gambar 4.2 Grafik Putaran Turbin Terhadap Debit Air ................................ 38

Gambar 4.3 Grafik Pengaruh Variasi Sudut Terhadap Putaran Turbin .......... 39

Gambar 4.4 Grafik Pengaruh Debit Air Terhadap Efisiensi Putaran Turbin .. 40

xv

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Data Putaran Propeller ............................................................. 49

Lampiran 2. Script Arduino .......................................................................... 50

Lampiran 3. Program pembuatan desain propeller turbin ulir ....................... 52

Lampiran 4. Trendline grafik ........................................................................ 57

1

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Turbin ulir atau screw (archimedean turbine) merupakan salah satu turbin

dalam pembangkit listrik tenaga mikro hidro. Turbin ulir sangat berpotensi

digunakan untuk sumber energi listrik di Indonesia karena banyaknya jumlah

sumber-sumber air yang sebagian besar hanya memiliki debit yang kecil dan head

yang rendah. Turbin ulir merupakan salah satu desain turbin yang dapat

menghasilkan efisiensi tinggi dari debit aliran dan head yang rendah. Pembuatan

turbin ulir juga tidak memerlukan biaya yang tinggi bila dibandingkan dengan

pembuatan turbin yang lain.

Havendri dan Arnif (2010: 274) menjelaskan beberapa keunggulan lain

yang dimiliki tur bin ulir yaitu, konstruksi bendungan dan pintu air yang

sederhana, tidak mengganggu ekosistem makhluk hidup, umur turbin lebih tahan

lama, mudah dalam perawatan dan pengoperasiannya, tidak membutuhkan draft

tube sehingga dapat mengurangi pengeluaran untuk penggalian dan pemasangan

draft tube, penggunaan unit peralatan standar dan generator standar dengan biaya

yang rendah, biaya pemeliharaan yang rendah.

Prinsip kerja turbin ulir merupakan pembalikan prinsip pada fungsi pompa

ulir. Pompa ulir bergerak untuk menaikkan air ke atas dari sungai, sedangkan

pembalikan fungsinya adalah membiarkan aliran dan berat air masuk kedalam dan

2

memutar turbin. Komponen pompa ulir yang berfungsi sebagai penggerak turbin

adalah dinamo, sedangkan dalam turbin ulir penggeraknya adalah air. Fungsi

dinamo pada turbin ulir digantikan oleh generator yang menghasilkan listrik hasil

putaran turbin. Secara teoritis turbin ulir memiliki efisiensi 90%, namun

kenyataan yang ada dilapangan turbin untuk pembangkit listrik efisiensinya tidak

mencapai 90%. Perbedaan efisiensi secara teoritis dan aktual dapat saja berbeda

dikarenakan data teoritis merupakan data ideal yang didapat menggunakan

persamaan atau variabel yang sudah diketahui yang umumnya berbeda dengan

data aktual. Selain itu, dalam fenomena aktual atau kondisi lapangan banyak

ditemukan faktor-faktor yang dapat mengurangi besar nilai data input contohnya

gesekan aliran yang umumnya diabaikan namun secara aktual ada dan dapat

mengurangi nilai yang didapat.

Penjelasan mengenai prinsip ulir tersebut memberikan gambaran dan

prediksi efisiensi turbin ulir yang dirancang. Beberapa perancangan turbin yang

telah dilakukan memberikan hasil yang berbeda-beda. Sumber air yang memiliki

head rendah atau bendungan yang hanya memanfaatkan ketinggian kontur tanah

menghasilkan volume dan aliran debit rendah. Ketinggian titik jatuh air dengan

debit aliran yang rendah dapat diaplikasikan menggunakan turbin ulir untuk

pembangkit listrik. Hal tersebut dikarenakan turbin ulir memiliki variasi

kemiringan propeller yang sesuai untuk debit aliran dan tinggi jatuh air yang

rendah, sehingga diperoleh efisiensi turbin yang maksimal.

Kraybill (2013: 11) melakukan penelitian terhadap desain turbin ulir

ditinjau dari variasi aliran dan putaran sudu turbin, dengan tujuan untuk

3

mengetahui efisiensi maksimal dari desain yang dirancang. Penelitian tersebut

memberikan hasil yang berbeda untuk masing-masing parameter dengan

kesimpulan bahwa untuk masing-masing desain penelitian memiliki profil yang

perlu disesuaikan dengan penggunaannya, sehingga didapatkan efisiensi yang

terbesar. Hasil yang menyerupai ditemukan oleh Lashofer, dkk (2012: 6) dimana

dalam penelitiannya terhadap struktur sudu turbin yang bekerja pada pembangkit

listrik dihitung setiap efisiensinya perlu disesuaikan kembali dengan parameter

turbin yang digunakan. Beberapa penelitian yang ada terhadap perbedaan struktur

dan parameter turbin memberikan kesimpulan secara umum salah satunya,

diameter luar ulir (screw) berbanding lurus dengan besar efisiensi. Sedangkan

dengan sudut kemiringan yang diberikan sebesar 26º-36º. Efisiensi turbin

didapatkan hasil paling kecil pada sudut 30º dikarenakan adanya penurunan debit

(low dischange). Sehingga peninjauan kembali terhadap kemiringan sudut

propeller sebagai salah satu parameter desain turbin perlu dilakukan agar efisiensi

maksimal didapat. Efisiensi maksimal yang dimaksud dalam penelitian ini adalah

perbandingan hasil putaran maksimal dengan volume debit yang sama dengan

kemiringan yang berbeda. Hal tersebut dikarenakan gaya tekan dari debit aliran

air akan menekan sesuai kemiringan propeller dan memberi gaya tekan yang

besar sehingga optimalisasi putaran turbin didapatkan.

1.2 Identifikasi Masalah

Seperti yang telah diketahui, efisiensi turbin ulir dipengaruhi oleh

beberapa faktor, salah satunya dari desain turbin. Desain turbin yang ada perlu

dikaji beradasarkan faktor eksternal yang diberikan seperti debit aliran, head

turbin, massa jenis fluida yang dialirakan. Faktor- faktor tersebut memberikan

4

gambaran, bahwa setiap rancangan turbin ulir perlu dioptimalkan untuk mencari

efisiensi terbaik rancangan turbin ulir yang dibuat melalui analisa data. Analisa

data yang dijadikan parameter seperti debit aliran, bentuk mangkuk sudu turbin

ulir, panjang propeller, dan sebagainya. Pada penelitian ini analisa data ditujukan

pada pengaruh perubahan sudut kemiringan propeller pada debit aliran yang

divariasikan karena analisa data yang dihasilkan dan dijadikan batasan

menentukan efisiensi lebih ringkas dan dapat ditinjau secara langsung melalui

pengamatan secara langsung. Selain itu, fenomena yang terjadi saat pengamatan

secara bersamaan juga dapat diketahui. Debit aliran air ini sangat mempengaruhi

kinerja dan efisiensi dari turbin ulir. Bila debit aliran air turun maka kecepatan

dan tekanan air yang melewati turbin ulir juga mengalami penurunan sehingga

mengakibatkan penurunan putaran turbin.

Kemiringan sudut propeller mempengaruhi efisiensi dari turbin ulir

tersebut. Tekanan dari aliran debit air mengikuti kemiringan sudut propeller,

sehingga secara tidak langsung perlu diketahui bagaimana pengaruh sudut

kemiringan sudut propeller terhadap konstruksi rancangan turbin dan debit aliran

yang akan diberikan. Semakin rendah kemiringan memberikan tekanan yang besar

pada sudu turbin ulir, namun semakin besar sudut kemiringan akan menghasilkan

energy loss yang besar, sehingga perlu dicari besar kemiringan sudut propeller

optimal untuk mendapatakan efisiensi rancangan turbin terbesar.

5

1.3 Pembatasan Masalah

Batasan masalah dalam penentuan efisiensi turbin ulir ini adalah untuk

menyederhanakan parameter-parameter yang digunakan. Masalah yang dibatasi

dalam penelitian ini yaitu pada:

1. Kemiringan sudut propeller diatur pada sudut 250, 300, 350, dan 400.

2. Debit aliran diatur pada 15-50 lpm dengan selisih peningkatan 5 lpm.

3. Analisis kinerja turbin yang ditinjau dalam penelitian yaitu terhadap putaran

yang dihasilkan, torsi turbin, daya aliran, daya mekanis, dan efisiensi turbin.

1.4 Rumusan Masalah

Berdasarkan uraian pada batasan masalah, maka masalah utama yang akan

dikaji dalam penelitian ini adalah mengetahui model rancangan turbin ulir, karena

adanya variasi kemiringan sudut turbin di dalam efisiensi turbin ulir.

Permasalahan tersebut diperjelas berdasarkan penjabaran pada rumusan masalah

yang disusun dalam penelitian, diantaranya :

1. Seberapa besar pengaruh variasi kemiringan sudut propeller terhadap daya

aliran turbin ulir.

2. Seberapa besar pengaruh variasi kemiringan sudut propeller terhadap daya

mekanis turbin ulir.

3. Seberapa besar pengaruh variasi kemiringan sudut propeller terhadap efisiensi

turbin ulir.

1.5 Tujuan Penelitian

Penelitian ini bertujuan untuk :

1. Untuk mengetahui seberapa besar pengaruh variasi kemiringan sudut propeller

terhadap daya aliran turbin ulir.

6

2. Untuk mengetahui seberapa besar pengaruh variasi kemiringan sudut propeller

terhadap daya mekanis turbin ulir.

3. Untuk mengetahui seberapa besar pengaruh variasi kemiringan sudut propeller

terhadap efisiensi turbin ulir.

1.6 Manfaat Penelitian

Perancangan yang berjudul “Pengaruh Variasi Kemiringan Propeler

Terhadap Efisiensi Turbin Ulir” dapat memberikan pemahaman lebih baik dalam

bidang pembangkit listrik tenaga mikrohidro khususnya dalam bidang turbin ulir,

sehingga nantinya akan berlanjut pada pengembangan model rancangan turbin

uliryang lebih baik. Selain itu, dari penulisan skripsi ini diharapkan mampu untuk

menjadi pembanding dalam pengukuran efisiensi turbin ulir, sehingga

memberikan kontribusi yang paling efektif dalam pemanfaatan debit aliran air

sungai dan tinggi rendah kontur tanah sertamampu dikonversi menjadi aliran

listrik secara maksimal.

7

BAB II

KAJIAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI

2.1. Penelitian yang Relevan

2.1.1 Parameter turbin ulir

Karakteristik turbin ulir yaitu dapat menghasilkan efisiensi tinggi dari

debit aliran dan head rendah dengan memanfaatkan desain yang dimiliki.

Karakteristik tersebut memberikan pengertian bahwa turbin memilliki nilai

optimal tertentu sesuai desainnya. Salah satu acuan yang dapat dilakukan guna

menemukan nilai optimal turbin yaitu memberikan variasi perlakuan yang

berbeda-beda untuk setiap parameter yang dimiliki turbin.

Rorres (2000 : 73) yang mendesain putaran turbin archimedes screw untuk

mendapatkan hasil yang optimal dengan menggunakan parameter luar (jari-jari

luar, panjang dan kemiringan) dan menggunakan parameter dalam (jari-jari dalam,

jumlah bilah dan puncak ulir). Muller dan Senior (2009 : 667) merancang desain

berdasarkan perbedaan ketinggian, panjang keseluruhan, jumlah putaran bilah dan

panjang horizontal turbin yang terkan air terhadap efisiensi archimedes screw.

Kedua tinjauan pusataka tersebut memberikan simpulan bahwa parameter yang

diberikan turbin berpengaruh pada output yang dihasilkan nantinya, begitu pula

parameter yang diberikan pada turbin yang dirancang dalam penelitian ini yaitu

perlakuan yang diberikan pada sudut kemiringan propeller dan debit aliran.

2.1.2 Penelitian mengenai Turbin Screw dengan parameter sudut ulir

Sebagai pemanfaatan sumber energi air sebagai energi terbarukan, turbin

scew dapat dijadikan referensi dan dimanfaatkan khususnya untuk aliran air

8

dengan head rendah. Havendri dan Arnif ( 2010: 275) dalam penelitiannya pada

optimalisasi turbin ulir dengan penentuan sudut ulir. Penelitian ini menggunakan

metode eksperimental, yaitu dengan melakukan serangkaian pengujian

performansi turbin ulir untuk ketinggian head 1,1 m dengan mengunakan masing-

masing 3 prototipe turbin ulir dengan sudut ulir terhadap turbin screw yang

memiliki sudut ulir yang divariasikan sebesar 230, 260dan 290. Hasil yang didapat

dari perbedaan sudut ulir terhadap efisiensi turbin pada penelitian tersebut

ditunjukkan pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Grafik Hasil Penelitian dengan Variasi Sudut terhadap

Efisiensi Turbin

(Sumber: Havendri dan Arnif, 2010: 276)

Grafik pada Gambar 2.1 menjelaskan bahwa bahwa sudut ulir pada

prototipe turbin ulir berpengaruh pada efisiensi turbin. Efisiensi daya input pada

suatu turbin ulir akan meningkat dengan kenaikan debit aliran yang diberikan.

Menurut Lashofer dkk. (2012: 2) penelitian dilakukan untuk mengetahui

efisiensi (η) putaran yang dihasilkan dari propeller turbin ulir pada variasi

kemiringan sudu turbin (tilt angle) pada 260-360 pada debit aliran yang

divariasikan. Hasil yang didapat untuk variasi sudut turbin ditunjukkan pada

Gambar 2.2 dengan hasil efisiensi putaran turbin maksimum mencapai angka 80%

9

pada debit aliran 11l/s pada sudut 260 dengan perubahan efisiensi yang bervariasi

baik penurunan maupun peningkatan seiring peningkatan sudut propeller.

Gambar 2.2. Grafik Efisiensi Putaran Maksimum Turbin dari Variasi

Sudut Propeller dan Variasi Debit Aliran

(Sumber: Lashofer dkk. 2012: 6)

2.2. Kajian Teori

2.2.1 Teori Dasar Aliran

Salah satu parameter yang digunakan untuk menentukan efisiensi turbin

yaitu daya aliran air. Sejatinya air mengalir dari daerah yang tinggi menuju daerah

yang lebih rendah baik melalui media atau tidak, baik melalui lintasan lurus atau

miring yang teentunya dapat mempengaruhi aliran air. Air yang mengalir tersebut

mengandung energi. Melalui sebuah turbin, aliran air tersebut dapat digunakan

untuk menggerakkan roda turbin. Konsep tersebut lantas diterapkan dan pusat-

pusat tenaga air dibangun di sungai dan di pegunungan. Pusat tenaga air tersebut

dapat dibedakan menjadi dua golongan, yaitu pusat tenaga air tekanan tinggi dan

pusat tenaga air tekanan rendah. Pembangunan bendungan di daerah yang lebih

tinggi sebagai reservoir. Menggunakan instalasi seperti pipa maka air dari

reservoir tersebut dialirkan ke rumah pusat tenaga yang dibangun di daerah hilir,

10

dengan demikian rangkaian konversi tenaga aliran menjadi energi listrik dapat

dioperasikan.

Gambar 2.3. Bentuk Energi pada Aliran Air

Prinsip kerja turbin sebagai pengkonversi energi debit aliran air menjadi

energi listrik. Hal tersebut menjelaskan jika energi debit aliran air dapat diubah

menjadi bentuk energi yang lainnya. Dietzel (1980: 4) menyatakan bahwa, bentuk

energi dalam debit aliran air dapat dibagi menjadi 4 bentuk, antara lain :

1. Energi Kinetik Fluida merupakan bentuk energi yang dimiliki oleh fluida

dengan massa m (kg) dan kecepatan v (m/s) yang dapat diartikan

Ek = m.v² ............................................................................................. (2.1)

2. Energi Potensial Fluida merupakan bentuk energi yang dimiliki oleh fluida

dengan massa m (kg), energi yang timbul disebabkan oleh pengaruh dari gaya

gravitasi bumi g (m/s²) yang dapat diartikan

Ep = m.g.h ................................................................................................ (2.2)

11

3. Energi Tekanan merupakan bentuk energi yang disebabkan oleh adanya gaya

yang diberikan oleh unit massa fluida dengan massa jenis (ρ) pada suatu bidang

yang dapat diartikan

Et = m. ................................................................................................... (2.3)

4. Energi Dalam merupakan bentuk energi yang dimiliki oleh fluida yang

besarnya dipengaruhi oleh temperatur dan tekanan fluida itu sendiri, yang

dapat diartikan

δ Ԛ = δ U+δ pv ...................................................................................... (2.4)

Pada instalasi turbin air hanya terdapat adanya perbedaan tinggi sir yang masuk

dan keluar, hal ini terjadi karena perbedaan ketinggian dari permukaan air akibat

perubahan aliran air. sehingga energi dalam dapat diabaikan dalam perhitungan,

karena energi dalam tidak akan memberi efek yang besar terhadap kerja mesin

fluida (δU=0). Dimana energi aliran debit air akan berubah bentuk dalam head

atau ketinggian.

2.2.1.1 Turbin Ulir

Archimedean screw adalah jenis ulir yang telah dikenal sejak jaman kuno

dan telah digunakan sebagai pompa untuk pengairan pada taman gantung

Babylonia. Pada jaman dahulu pompa ini sangat akrab dikalangan insinyur-

insinyur romawi. Tujuan awal pompa ini diciptakan oleh Archimedes adalah

untuk mengeluarkan air yang berada di sungai dengan menaikkan air tersebut.

Seiring dengan waktu berlalu di dunia timbul krisis energi dan terbatasnya potensi

turbin air karena hanya dapat mengandalkan aliran debit air yang tinggi. Pompa

berputar terbalik dan membiarkan air mengendalikan pompa, kemudian diatas

12

pompa dipasang generator. Sehingga aliran debit air yang melewati pompa

tersebut menggerakan pompa dan memutar poros generator.

Gambar 2.4. Turbin Ulir

(Sumber: Katalog Spaans Babcock, 2015: 5)

Prinsip turbin ulir pada dasarnya pembalikan dari fungsi pompa ulir

tersebut. Dimana tekanan dari aliran debit air yang melalui bilah-bilah sudu turbin

mengalami penurunan tekanan sejalan dengan penurunan kecepatan air akibat

adanya hambatan dari bilah-bilah sudu turbin. Maka tekanan ini akan memutar

turbin dan menggerakkan generator listrik. Sebelum daya putaran poros

ditransmisikan melalui gearbox (Havendri dan Arnif, 2010: 274).

Turbin memiliki beberapa tipe yaitu Archimedes, Kaplan, Francis dan

Banki. Jenis dan tipe turbin tersebut memiliki kelebihan dan kekurangan tersendiri

sehingga penggunaannya tergantung dari situasi dan kondisi di lapangan. Dalam

segi efisiensi turbin, penggunaan yang paling tepat adalah menggunakan turbin

jenis Archimedes, karena dalam tipe ini memiliki tingkat efisiensi yang tinggi

(Tabel 2.1).

13

Tabel 2.1. Perbandingan Efisiensi Turbin Ulir dengan Turbin lainnya.

Water Engine Filling

Water Engine

Type

10

%

20

%

30

%

40

%

50

%

60

%

70

%

80

%

90

%

100

%

Archimedean

Screw 25 74 77 79 82 83 84 85 86 87

Kaplan Turbine 15 70 85 88 90 90 90 90 88 85

Francis Turbine - - 15 58 72 78 82 82 82 80

Banki Turbine - 40 60 68 72 74 75 74 72 70

Water Engine Efficiency (%)

Turbin Archimedes memiliki tingkat efisiensi yang tinggi sehingga sering

digunakan dalam penelitian ataupun di PLTA (Pembangkit Listrik Tenaga Air).

Karena turbin jenis ini dapat mengahasilkan daya maksimal dengan suplai debit

aliran yang kecil, turbin Archimedes sendiri memiliki beberapa parameter yang

dapat digunakan untuk memaksimalkan daya yang dihasilkan (Tabel 2.2).

Tabel 2.2 Parameter Ulir Archimedes Number

of Blade

N (1)

Optimal

Radius Ratio

ρ* (2)

Optimal

Pitch Ratio

λ* (3)

Optimal Volume

Per-Turn Ratio

λ*v(N,ρ*,λ*) (4)

Optimal

Volume Ratio

v(N,ρ*,λ*) (5)

1 0,5358 0,1285 0,0361 0,2811

2 0,5369 0,1863 0,0512 0,2747

3 0,5357 0,2217 0,0595 0,2697

4 0,5353 0,2456 0,0655 0,2667

5 0,5352 0,263 0,0696 0,2647

6 0,5353 0,2763 0,0727 0,2631

7 0,5354 0,2869 0,0752 0,2619

8 0,5354 0,2957 0,0771 0,2609

9 0,5356 0,3029 0,0788 0,2601

10 0,5356 0,3092 0,0802 0,2592

11 0,5358 0,3145 0,0813 0,2586

12 0,536 0,3193 0,0824 0,258

13 0,536 0,3234 0,0833 0,2574

14 0,536 0,327 0,0841 0,2571

15 0,5364 0,3303 0,0848 0,2567

16 0,5362 0,3333 0,0854 0,2562

17 0,5362 0,3364 0,086 0,2556

18 0,5368 0,338 0,0865 0,2559

14

Number of Blade

N

(1)

Optimal Radius Ratio

ρ*

(2)

Optimal Pitch Ratio

λ*

(3)

Optimal Volume Per-Turn Ratio

λ*v(N,ρ*,λ*)

(4)

Optimal Volume Ratio

v(N,ρ*,λ*)

(5)

- - - - -

- - - - -

- - - - -

20 0,5394 0,3953 0,0977 0,2471

Sumber : Rorres (2000 : 76)

Kelebihan yang dimiliki oleh turbin ulir apabila dibandingkan dengan

macam-macam turbin yang ada, antara lain:

1. Konstruksi rancangan untuk bendungan dan pintu air yang sederhana sehingga

membuat biaya konstruksinya menjadi efisien.

2. Putaran rendah pada turbin ulir membuat umur turbin lebih lama.

3. Dapat bergerak dengan variasi debit yang besar dan sangat baik untuk debit

yang kecil sehingga efisiensi yang didapatkan tinggi.

4. Tidak mengganggu ekosistem di perairan dan sungai.

5. Mudah untuk pengoperasiannya dan pemeliharaannya

6. Penggunaan unit peralatan standar dan generator standar dengan biaya rendah.

2.2.1.2 Perhitungan daya dan efisiensi turbin

1. Persamaan daya air dan daya mekanis putaran turbin

Daya yang dihasilkan oleh aliran air dapat dinyatakan dengan persamaan

berikut ini.

PW = η.ρ.g.Q.h ...................................................................................... (2.5)

Dimana:

Pw : Daya aliran air (Watt)

Q : Debit (m3/s)

15

η : Efisiensi turbin ulir (%)

ρ : Massa jenis air (kg/m3)

g : Percepatan gravitasi (m/s2)

h : Head (m)

Sedangkan daya mekanis turbin merupakan daya yang dihasilkan dari putaran

turbin yang dapat dicari dengan menggunakan persamaan menurut Harja,

Abdurrahim (2014) :

PM = Tω ................................................................................................. (2.6)

= T.

Ftotal = Fm tan + Fhyd tan

Fm tan = Fm sinӨ sinγ

= ρ . V . g . sinӨ . sinγ

= ρ . V . g . sinӨ .

Fhyd tan = . ρ . g

hu = Δd + d0

hd = d0

Δd =

m =

16

Λ* =

K = tanӨ

Fhyd tan = Fhyd

T = (Fm . tan + Fhyd tan) . r ..................................................................... (2.7)

Dimana :

T : Torsi propeller (Nm)

Ω : kecepatan sudut propeller (m/s)

n : putaran propeller turbin (rpm)

r : Radius (m)

Fm tan : gaya berat arah aksial (N)

Fhyd tan : gaya tangensial hydrostatis fluida (N)

H : ketinggian (m)

2. Mencari head efektif

Untuk mendapatkan head efektif turbin ulir maka perlu dicari kemiringan

sudut (α) pada Gambar 2.3 didapatkan persamaan trigonometri sebagai berikut.

=

Karena propeller turbin memiliki panjang L 1,1 m, maka nilai L

disubstitusikan.

H =

=

17

H = sinα . 1,1 ....................................................................................... (2.8)

Gambar 2.5. Skema Trigonometri nilai Head (Rorres 2000 : 73)

3. Kemiringan dan persamaan efisiensi pada turbin

Menurut Erinofiardi, Nuramal, A., Bismantolo, P., dkk 110 (2017 : 13)

Menyimpulkan bahwa efisiensi tertinggi turbin terjadi pada sudut kemiringan 220-

300. Efisiensi merupakan perbandingan daya awal dengan daya akhir yang

dihasilkan. Untuk efisiensi turbin maka dapat dapat dicari menggunakan

persamaan (2.9).

ηm = ........................................................................................................ (2.9)

Dimana :

Pw : Daya aliran air didapat dari persamaan (2.5)

Pm : Daya putaran didapat dari persamaan (2.6)

46

BAB V

PENUTUPAN

5.1 Simpulan

Berdasarkan hasil dan pembahasan penelitian, maka penelitian ini dapat

disimpulkan sebagai berikut :

1. Nilai daya aliran tertinggi didapatkan dari debit aliran 50 lpm dengan

kemiringan sudut propeller 400 yaitu sebesar 145 Watt. Fenomena yang terjadi

sendiri untuk daya aliran semakin meningkat seiring bertambahnya sudut

propeller.

2. Nilai daya mekanis tertinggi didapatkan pada kemiringan sudut propeller 300

dengan debit aliran 50 lpm yaitu sebesar 10242,22 Watt. Berdasarkan data dan

grafik secara umum daya mekanis berkurang seiring bertambahnya sudut

kemiringan. Karena energy loss yang besar saat sudut kemiringan bertambah,

namun untuk setiap desain screw memiliki sudut optimal masing-masing dan

pada penelitian ini sudut optimal berada pada sudut 300.

3. Efisiensi tertinggi turbin screw penelitian ini mencapai 80,66 % yaitu pada

sudut kemiringan propeller 300 dengan debit aliran 50 lpm.

5.2 Saran

Saran yang dapat diberikan penulis sehingga dapat dikembangkan pada

penelitian selanjutnya adalah sebagai berikut :

47

1. Penambahan alat ukur torsi yaitu pony brake diperlukan untuk mengetahui

besar torsi actual pada turbin saat penelitian dan diberi perlakuan variasi sudut

dan turbin, sehingga nilai torsi tidak hanya diketahui secara teoritis namun juga

secara actual yang selanjutnya kedua data tersebut dapat dijadikan

perbandingan dan patokan data basis penelitian selanjutnya.

2. Variasi sudut turbin sebagai optimalisasi setiap desain turbin berbeda-beda,

sehingga peninjauan terhadap sudut propeller perlu dilakukan bahkan dengan

debit aliran yang berbeda. Hal inilah yang mendasari dilakukannya penelitian

ini. Selain sebagai referensi namun juga untuk mengetahui desain dan

parameter yang dibutuhkan guna mengoptimalisasi perancangan turbin ulir

yang telah didesain sedemikian rupa.

3. Perlu dilakukan kalibrasi alat penghitung debit air sebelum melakukan

penelitian karena akan mempengaruhi akurasi data dari proses pengujian.

48

DAFTAR PUSTAKA

Dietzel, F. 1980. Turbinen, Pumped Und Verdichter. Vogel-Verlag, Wurzburg.

Terjemahan Sriyono, D. Turbin Pompa dan Kompresor. Erlangga. Jakarta.

Erinofiardi, A. Nuramal, P. Bismantolo, A. Date, A. Akbarzadeh, A. K. Mainil,

dkk. 2017. Experimental Study of Screw Turbine Performance Based on

Different Angle of Inclination. Energy Procedia 110:8-13.

Harja, H., B., H. Abdurrahim, S. Yoewono, H. Riyanto. 2014. Penentuan Dimensi

Sudu Turbin dan Sudut Kemiringan Poros Turbin Pada Turbin Ulir

Archimedes. METAL INDONESIA 36(1) Juni 2014.

Havendri, A., dan I., Arnif. 2010. Kaji Eksperimental Penentuan Sudut Ulir

Optimum Pada Turbin Ulir Untuk Data Perancangan Turbin Ulir Pada Pusat

Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) dengan Head Rendah. Seminar

Nasional Tahunan Teknik Mesin 9, 274–278.

Havendri, A., dan H., Lius. 2009. Perancangan dan Realisasi Model Prototipe

Turbin Air Type Screw ( Archimedean Turbine ) Untuk Pembangkit Listrik

Tenaga Mikrohidro Dengan Head Rendah di Indonesia. Journal of

Environmental Science and Engineering 2(31): 1–7.

Kibel, P., dan T., Coe. 2009. Castleford Mill Hydro Power Proposal River Aire-

Fisheries Assesment. Fishtek Consulting Ltd. UK.

Kraybill, Z. 2013. Structural Analysis of An Archimedes Screw and A Kinetic

Hydro Turbine. Thesis. Lehigh University: Lehigh Preserve.

Lashofer, A., W,. Hawle. I., Kampel. F., Kaltenberger. B., Pelikan. 2012. State Of

Technology and Design Guidelines For The Archimedes Screw Turbine.

Muller, G., dan J., Senior. 2009. Simplified Theory of Archimedean Screws.

Journal of Hydraulic 47(5): 666-669.

Rohmer, J., D., Knittel, G., Sturtzer, D., Flieller, J., Renaud. 2016. Modeling and

experimental results of an Archimedes screw turbine. Renewable Energy

94:136–146. https://doi.org/10.1016/j.renene.2016.03.044

Rorres, C. 2000. The Turn of The Screw: Optimal Design of An Archimedes

Screw. Journal of Hydraulic Engineering 80: 72-80.

Songin, K. (2017). Experimental Analysis of Archimedes Screw Turbines.

Thesis. University of Guelph. Ontario. Canada

49

Spaans Babcock. 2010. Archimedean Screw Turbine Catalogue. Netherlands:

Spaans Babcock

Stergiopoulou, A., dan Stergiopoulos, V., 2012. Quo Vadis Archimedean

Turbines Nowadays in Greece in the Era of Transition. Journal of

Environmental Science and Engineering.

Yulistiyanto, B., H., Yul, Lisdiyanti. 2012. Pengaruh Debit Aliran dan

Kemiringan Poros Turbin Ulir Pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikro-hidro.

Dinamika TEKNIK SIPIL, 12(1), 1–5.