TERHADAP PERFORMA SAVONIUS HORIZONTAL AXIS WATER … · Turbin air savonius horizontal axis water turbine (HAWT) mampu beroperasi pada kecepatan putar rendah sehinga cocok untuk pembangkit

library.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH VARIASI SUDUT BLADE ARC

TERHADAP PERFORMA SAVONIUS HORIZONTAL AXIS WATER

TURBINE TIPE L PADA ALIRAN DALAM PIPA

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat

Untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Disusun Oleh:

MUHAMMAD ILHAMNADHIEF

I0414036

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2018


iv


iv

PERNYATAAN INTEGRITAS PENULIS

Dengan ini saya menyatakan dengan sesungguhnya dalam skripsi ini tidak

terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu

perguruan tinggi dan sepengetahuan saya juga terdapat karya atau pendapat yang

pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali tertulis diacu dalam naskah

ini dan disebutkan dalam daftar pustaka. Jika terdapat hal – hal yang tidak sesuai

dengan ini, maka saya bersedia dikenai sanksi sesuai dengan peraturan yang

berlaku.

Surakarta, Nopember 2018

Muhammad Ilham Nadhief


iv

iv


vi

Motto

Allah tidak membebani seseorang melainkan sesuai dengan kesanggupannya.

~Q.S. Al Baqarah 286

Karena sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan, sesungguhnya

sesudah kesulitan itu ada kemudahan

~Q.S. Al Insyirah 5-6

Barang siapa bersungguh-sungguh, sesungguhnya kesungguhan tersebut untuk

kebaikan dirinya sendiri.

~Q.S Al Ankabut 6

Everything is theoretically imposible, until it’s done.

~Robert A. Heinlein

Setiap perjuangan pasti ada hasilnya, gagal memberi pelajaran, sukses memberi

kebahagiaan.

~Unknown


vii

Halaman Persembahan

Dengan menyebut nama Allah yang Maha Pengasih lagi Maha Penyayang

Dengan segala kerendahan hati ku persembahkan tulisan ini untuk :

1. (Alm) Ayahanda tercinta yang telah memberikan limpahan kasih sayang dan

dukungan serta doa semasa hidupnya dan memberikan rasa rindu yang berarti.

2. Ibunda tercinta yang telah memberikan doa restu serta kasih sayang yang tak

terhingga dan selalu memberikan dukungan yang terbaik.

3. Seluruh keluarga besar yang telah memberikan banyak do’a dan dukungannya

sehingga saya dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.

4. Kepada Mas Ari Prasetyo yang selalu memantau perkembangan studi dan

penelitian saya.

5. Kepada Staff Dosen dan Karyawan Universitas Sebelas Maret yang tidak bisa

saya sebutkan satu persatu yang telah memberikan ilmunya dan menuntun saya

menjadi sarjana.

6. Kepada anggota team riset Pico Hydro Alif Maulana H, Garindra Ibrahim,

Kartika Agustin dan Rifki Dwi P yang selama ini selalu memberikan masukan

dan saran yang banyak membantu dalam penyelesaian Tugas Akhir ini

7. Seluruh teman-teman MEVIX teknik mesin UNS angkatan 2014 khususnya dan

teman-teman Teknik Mesin UNS pada umumnya.

8. Seluruh sahabat dan teman – teman saya yang tidak dapat saya sebutkan satu

persatu yang telah memberikan do’a dan dukungannya kepada saya.


viii

STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH VARIASI SUDUT BLADE ARC

TERHADAP PERFORMA SAVONIUS HORIZONTAL AXIS WATER

TURBINE TIPE L PADA ALIRAN DALAM PIPA


Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta

Indonesia

Email : [email protected]

Abstrak

Air merupakan energi baru dan terbarukan pengganti energi fosil yang dapat

digunakan untuk memenuhi kebutuhan listrik masa depan karena jumlahnya yang

melimpah. Turbin air savonius horizontal axis water turbine (HAWT) mampu

beroperasi pada kecepatan putar rendah sehinga cocok untuk pembangkit listrik

tenaga air menggunakan metode rain water harvesting (RWH). Meskipun, turbin

ini memiliki koefisien daya dan torsi yang rendah, namun penelitian tentang

prototipe rotor turbin tipe “U” dengan variasi jumlah sudu, sudut kelengkungan

sudu telah dilakukan sebelumnya untuk meningkatkan kinerja turbin ini. Dalam

makalah ini, dibahas proses perancangan dan pengujian terhadap sebuah prototipe

rotor turbin tipe L dengan 3 variasi sudut blade arc. Variasi sudut blade arc yang

diuji adalah 120o, 135o dan 150o. Melalui penelitian ini, diketahui tipe turbin yang

optimal jika dianalisa dari power output, tip speed ratio (TSR), dan power

coefficient yang dihasilkan oleh turbin. Turbin tipe “L” dengan sudut blade arc 135o

memiliki power coefficient paling tinggi sebesar 27,0% dengan TSR sebesar 1,320

dibandingkan turbin dengan sudut blade arc 120o dan 150o.

Kata kunci : Turbin air sumbu horisontal, Savonius, Sudut blade arc, koefisien

daya, Pico hidro.

mailto:[email protected]


ix

AN EXPERIMENTAL STUDY ON THE INFLUENCE OF BLADE ARC

ANGLE VARIATIONS TOWARDS PERFORMANCE OF L-TYPE

SAVONIUS HORIZONTAL AXIS WATER TURBINE IN PIPE


Department of Mechanical Engineering Faculty of Engineering Universitas

Sebelas Maret Surakarta

Indonesia

E-mail : [email protected]

Abstract

Water is renewable energy source, an alternative energy that replace the fossil fuels.

It can be used to supply electricity needs in future because of its abundance.

Savonius horizontal axis water turbine (HAWT) is able to operate at low rotational

speed so that suitable for hydroelectric power plants using rain water harvesting

(RWH) method. Although, this turbine has a low power coefficient and torque,

research on “U” type turbine rotors prototypes with variations of number of blades,

blade curvature angle has been observed previously to improve the turbine’s

performance. In this paper, the design and testing process of “L” type turbine rotor

with 3 variations of blade arc angle are discussed. The variations of the blade arc

angle which tested are 120o, 135o and 150o. Through this research, its known that

the optimal type of turbine when analyzed from power output, tip speed ratio (TSR)

and power coefficient (Cp) produced by turbine. The “L” type turbine with blade

arc angle 135o has the highest power coefficient of 27,0% with a TSR of 1,320. It

compared to turbine with 120o and 150o blade arc angle variations.

Keywords : Horizontal Axis Water Turbine, Savonius, Blade Arc Angle, power

coefficient, picohydro.

mailto:[email protected]


x

Kata Pengantar

Puji syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah

memberikan rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas

Akhir “STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH VARIASI SUDUT BLADE

ARC TERHADAP PERFORMA SAVONIUS HORIZONTAL AXIS WATER

TURBINE TIPE L PADA ALIRAN DALAM PIPA” ini dengan baik. Penulisan

tugas akhir ini merupakan salah satu syarat menyelesaikan program Strata-1

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta 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 penulis tidak lepas dari bimbingan, bantuan,

dorongan dan kerjasama dari semua pihak, baik secara langsung maupun tidak

langsung. Oleh karena itu, penulis dengan kerendahan hati mengucapkan

terimakasih kepada semua pihak yang telah ikut membantu dalam menyelesaikan

skripsi ini terutama :

1. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik

Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret dan dosen pembimbing I

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. (Alm) Bapak yang memberikan motivasi dan doanya semasa hidupnya

sehingga penulis mampu menyelesaikan Tugas Akhir ini.

5. Ibu yang selama ini menjadi seseorang ibu yang selalu memberikan semangat

serta dukungan dan selalu mendoakan penulis sehingga pembuatan Laporan

Tugas Akhir ini dapat terselesaikan.


xi

6. Seluruh keluarga besar yang telah memberikan banyak do’a dan dukungannya

sehingga saya dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.

7. Teman – teman Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret sebagai keluarga

kedua yang selalu memotivasi 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.

Penulis menyadari bahwa pada penyusunan laporan ini masih banyak

kekurangan karena keterbatasan penulis, untuk itu penulis mengharapkan kritik dan

saran yang membangun dari pembaca demi perbaikan laporan ini dikemudian hari.

Semoga laporan tugas akhir ini dapat bermanfaat di masa yang akan datang.

Surakarta, Nopember 2018

Penulis


xii

Daftar Isi

Halaman Judul .....................................................................................................i

Halaman Surat Penugasan ...................................................................................ii

Pernyataan Integritas Penulis ..............................................................................iv

Halaman Pengesahan Tim Pembimbing .............................................................v

Halaman Pengesahan Tim Penguji......................................................................v

Motto ...................................................................................................................vi

Halaman Persembahan ........................................................................................vii

Abstrak ................................................................................................................viii

Abstract ...............................................................................................................ix

Kata Pengantar ....................................................................................................x

Daftar Isi..............................................................................................................xii

Daftar Gambar .....................................................................................................xiv

Daftar Rumus ......................................................................................................xv

Daftar Notasi .......................................................................................................xvi

Daftar Lampiran ..................................................................................................xvii

Bab I Pendahuluan

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

1.2 Perumusan Masalah ..............................................................................3

1.3 Batasan Masalah ...................................................................................3

1.4 Tujuan Penelitian ..................................................................................3

1.5 Manfaat Penelitian ................................................................................3

1.6 Sistematika Penulisan ...........................................................................4

Bab II Tinjauan Pustaka dan Dasar Teori

2.1 Tinjauan Pustaka ...................................................................................5

2.2 Klasifikasi Turbin Air ...........................................................................9

2.3 Pemilihan Turbin Air ............................................................................13

2.4 Dasar Teori............................................................................................14

2.5 Dependent Variable ..............................................................................15


xiii

Bab III Metode Penelitian

3.1 Tempat Penelitian .................................................................................18

3.2 Desain Penelitian ..................................................................................18

3.3 Spesimen yang diuji ..............................................................................19

3.4 Skema Alat Penelitian ...........................................................................20

3.5 Langkah Penelitian................................................................................21

3.6 Diagram Alir Penelitian ........................................................................22

Bab IV Analisa dan Pembahasan

4.1 Analisa Perhitungan ..............................................................................23

4.1.1 Pengaruh Debit Fluida terhadap Daya Fluida ....................................23

4.1.2 Pengaruh Variasi Blade Arc terhadap Putaran Turbin .......................24

4.1.3 Pengaruh Debit Fluida terhadap Daya Generator ...............................26

4.1.4 Pengaruh Variasi Blade Arc terhadap Daya Turbin ...........................28

4.1.5 Pengaruh Tip Speed Ratio terhadap Power Coefficient ......................30

Bab V Penutup

5.1 Kesimpulan ...........................................................................................34

5.2 Saran .....................................................................................................34

Daftar Pustaka

Lampiran

Draft Jurnal Publikasi


xiv

Daftar Gambar

Gambar 2.1 Diagram Blok dari Pembangkit Listrik dengan Sistem RWH......... 5

Gambar 2.2 Grafik Hubungan antara Daya yang dihasilkan dengan Kecepatan

Putar Sudu, untuk Variasi Jumlah Volume Air pada Tangki ......... 6

Gambar 2.3 Hubungan Kecepatan Angin dengan Tip Speed Ratio .................... 7

Gambar 2.4 Grafik Power Coefficient (Cp) dengan Tip Speed Ratio (TSR) ....... 7

Gambar 2.5 Variasi Bentuk Blade Arc yang diuji .............................................. 8

Gambar 2.6 Grafik Coefficient of Torque (CT) dengan Tip Speed Ratio (TSR) .. 8

Gambar 2.7 Grafik Power Coefficient (Cp) dengan Tip Speed Ratio (TSR) ...... 9

Gambar 2.8 Turbin Cross Flow .......................................................................... 10

Gambar 2.9 Turbin Turgo ................................................................................... 11

Gambar 2.10 Turbin Pelton .................................................................................. 11

Gambar 2.11 Turbin Francis ................................................................................. 12

Gambar 2.12 Turbin Kaplan ................................................................................. 12

Gambar 2.13 Grafik Aplikasi Turbin .................................................................... 13

Gambar 3.1 Skema Desain Penelitian ................................................................. 18

Gambar 3.2 Variasi Blade Arc Turbin Savonius ................................................. 19

Gambar 3.3 Skema Alat Penelitian ...................................................................... 20

Gambar 4.1 Grafik Pengaruh Debit Air terhadap Daya Fluida ........................... 24

Gambar 4.2 Grafik Pengaruh Sudut Blade Arc terhadap Putaran Turbin pada

Tiap Variasi Debit ............................................................................ 25

Gambar 4.3 Grafik Pengaruh Debit Air terhadap Daya Generator pada Tiap

Variasi Turbin .................................................................................. 26

Gambar 4.4 Skematik Metode Prony Break ........................................................ 28

Gambar 4.5 Grafik Pengaruh Sudut Blade Arc Terhadap Daya Turbin pada Tiap

Variasi Debit .................................................................................... 29

Gambar 4.6 Grafik Pengaruh Tip Speed Ratio (TSR) Terhadap Power Coefficient

(Cp) .................................................................................................. 31


xv

Daftar Rumus

Persamaan (2.1) Kecepatan Aliran Fluida ............................................................ 14

Persamaan (2.2) Debit Fluida ................................................................................ 14

Persamaan (2.3) Daya Fluida ................................................................................ 14

Persamaan (2.4) Daya Generator .......................................................................... 15

Persamaan (2.5) Power Coefficient ....................................................................... 15

Persamaan (2.6) Daya Input Fluida ....................................................................... 16

Persamaan (2.7) Daya Turbin ............................................................................... 16

Persamaan (2.8) Coeffiecient of Torque ................................................................ 16

Persamaan (2.9) Tip Speed Ratio .......................................................................... 17

Persamaan (2.10) Kecepatan Sudut....................................................................... 17


xvi

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]


xvii

Daftar Lampiran

Lampiran 1 Data Hasil Percobaan ....................................................................... 37

Lampiran 2 Perhitungan Hasil Percobaan ........................................................... 40

Lampiran 3 Perhitungan Luas Penampang 1/2 Diameter Lingkaran Pipa .......... 42

Lampiran 4 Prony Break ..................................................................................... 43

Lampiran 5 Physical Properties of Water (SI Units) .......................................... 44

Documents

TERHADAP PERFORMA SAVONIUS HORIZONTAL AXIS WATER … · Turbin air savonius horizontal axis water turbine (HAWT) mampu beroperasi pada kecepatan putar rendah sehinga cocok untuk pembangkit