Dokumen tersebut membahas perancangan turbin air pada bendungan Bening Saradan di Madiun. Secara ringkas, dokumen menjelaskan analisis untuk menentukan tipe turbin yang sesuai berdasarkan debit air dan tinggi jatuh, yang menghasilkan rekomendasi menggunakan turbin propeller. Selanjutnya dibahas desain runner turbin dan poros, serta perhitungan untuk menentukan ukuran komponen.

1. BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Data Awal Perancangan
Dalam perancangan telah diktahui data teknis tentang Bendungan Bening,
Saradan, Madiun adalah sebagai berikut :
Informasi Sumber Air
a. Nama Sumber Air : Bendungan Bening Saradan,
Madiun
b. Debet Andalan : 2 m3/s atau 2000 liter/s
c. Tinggi Tekan Hidrolik max : 21.4 m
4.2. Analisa Grafis Penentuan Tipe Turbin
Berdasarkan nilai debit desain dan tinggi jatuh hidrolik, maka secara grafis
dapat dipelajari dan dipilih tipe turbin yang sesuai, sebagai berikut :
Menurut hasil analisa grafis Gambar 4.1, turbin yang sesuai untuk debit
(Q = 2000 l/ dt) dan tinggi jatuh hidrolik (Htotal) = 21,4 m adalah turbin tipe
Crossflow atau tipe Francis, tetapi perancangan di desain ini pada head 6 meter
untuk memberi spare (Jarak aman) mengingat head pada waktu tertentu dapat
menurun namun dapat menghasilkan debit yang konstan. sehingga disimpulkan
menggunakan tipe propeller untuk menambah kasanah pengalaman dalam desain
dan pembuatan turbin tipe ini. Pertibangan lain adalah pada desain sudu pada
turbin ini akan dibuat tetap (fixed blade) sehingga akan berpengaruh pada
effisiensi turbin.

2. Gambar 4.1 : Grafik pemilihan jenis turbin
Grafik diatas juga menunjukan daya yang dapat dibangkitkan secara grafis
sebesar 100 kW. Sehingga dapat disimpulkan bahwa turbin yang digunakan
adalah turbin propeller dan Effisiensi turbin ditetapkan pada nilai 0.9 atau 90%.
4.3. Kecepatan Spesifik
Dalam menentukan putaran spesifik pada sebuah turbin yang telah ada
diketahui dengan menemukan variabel yang belum diketahui dari persamaan berikut,
yaitu debit air yang masuk ke dalam turbin :
a. Perhitungan daya terbangkit/ daya turbin
Daya turbin (P)
P = ηT . ρ. G. Q. H, Watt (Satuan Internasional)
Dimana :
ηT = efisiensi total = ηt. ηg = 0,90 x 0,95 = 0,8145
ηt. = efisiensi turbin = 0,90
ηg = efisiensi generator = 0,95
ρ = berat jenis air (= 1000 kg/m³)
g = gravitasi (9,81 m/det²)

3. Q = debit desain (2 m³ / det)
H = tinggi jatuh hidolik netto (6 m)
P = 0,8145 x 1000 x 9,81 x 2 x 6
= 95.882,94 W
= 95,8 kW = 130 HP
Jadi daya actual yang terbangkit dari generator sebesar 130 HP
b. Kecepatan Aliran
Kecepatan aliran yang melewati turbin dapat digambarkan pada
persamaan energy potensial air yaitu :
V = √2 푥 푔 푥 퐻 (Dietzel, 1980)
= √2 푥 9.81 푥 6
= 10.489 m/s
Dimana
Berat jenis air (ρ) = 1000 kg/m3
Percepatan Grafitasi (g) = 9.81 m/s2
c. Putaran Spesifik Turbin (ns)
Yang dimaksud dengan kecepatan spesifik dari suatu turbin ialah
kecepatan putaran runner yang dapat dihasilkan daya effektif 1 BHP untuk setiap
tinggi jatuh 1 meter atau dengan rumus dapat ditulis ( Lal, Jagdish, 1975 ) :
Kecepatan spesifik dinyatakan dengan persamaan :
푛푞 = 푛
√Ѷ
퐻
3
4
(Dietzel, 1980) hal
diketahui : ns = kecepatan spesifik turbin
n = Kecepatan putaran turbin (rpm)
Hefs = tinggi jatuh effektif (m)
Ѷ = Kapasitas Aliran (m3/det)

4. Sehingga:
nq = 500 √2
(6)3/4
= 184 l/menit
4.4. Desain Roda jalan Turbin (Runner)
Konstruksinya bisa dibedalkan; sampai dengan alat pengarah pada
hakekatnya sama dengan turbin Francis. Dan pada leher poros terdapat kipas sudu
(4 sampai dengan 8 buah).
Kipas sudu pada gambar 4.2. sama seperti baling-baling pesawat terbang
yaitu membawa aliran dengan belokan yang hanya sedikit. Bila untuk pesawat
terbang maksudnya adalah supaya gaya ke atas, dengan tahanan yang sedikit
mungkin. Jadi bentuknya memang harus demikian. Tetapi pada turbin Kaplan
maksudnya adalah untuk mendapatkan gaya tangensial T (gaya putar yang bisa
menghasilkan torsi pada poros turbin), gambar 4.2
Sesuai dengan gambar 4.2 harga perkiraan untuk menentukan ukuran-ukuran
utama turbin Kaplan.

5. Gambar 4.2 : Segitiga kecepatan masuk dan segitiga kecepatan keluar,
bagan sudu roda jalan turbin Kaplan poros horizontal.
Besarnya gaya tangensial T tergantung pada selisih w u2 – w u1 atau yang
berhubungan dengan c u1 – c u2 yang harganya kecil. Pada perhitungan ini c u1 – c
u2 = 0.
Gambar 4.3 : Model runner turbin propeller poros horizontal
Dari diagram 4.4 didapat:

6. Gambar 4.4 : Harga perkiraan untuk menentukan ukuran-ukuran utama
turbin Kaplan (Dietzel, 1980).
푢1 ∗
∗ = 0.75; 푐푚 푝푒푛푔푎푟푎ℎ
= 1.75; 푢푁
∗ = 0.36
Kemudian harga-harga diatas dikalikan dengan
V= √2푔퐻 yaitu dengan V=10.489 m/s
Sehingga:
푢1 ∗
= 1.75 x 10.489 = 18.3 m/detik;
D1 =
500 . 푢1
휋 .푛
= 0.5573 m Ɵ
푢푁∗
= 0.75 x 10.489 = 7.86 m/detik
D leher poros = 0,25 Ɵ ;
Dalam hal ini diameter sudu pengarah di bagian masuk dari gambar
Dari ketentuan dimensi maka kecepatan meridian 푐2 푚 = 푐2 pada bagian keluar
roda jalan = kecepatan masuk ke pipa hisap.
푐2 푚 = 푐2= V/A dengan penampang
2 − 퐷푛
A = (퐷1
2) . π/4 = 2 m2
푐2 푚 = 푐2 = 10.489 m2 /det : 0.91 m2 = 5.21 m/det
Segitiga kecepatan didapat dari:

7. ηt . g . H = u . (cu1 - cu2)
ηt =
푃
퐻.푉.푄.푔
=
100
6 .10.489 . 2 .9.81
= 0.8
Dengan cu2 = karena c2 adalah pengeluaran yang memiki sudut sebesar 122°
maka:
Gambar 4.5 : Sudut masuk dan keluar aliran
Nilai cu1 dapat dihasilkan dari perhitungan
cu1 =
ηt .푔.퐻
16,35
cu1 =
0.8 .9.81.6
16 ,35
cu1 = 2.88 m/detik
nilai tersebut dapat dijelaskan pula dalam bentuk grafis segitiga kecepatan.
Dimana komponen head mempengaruhi besarnya cu1.

8. Gambar 4.6: nilai cu1 yang digambarkan secara grafis
Dengan demikian bagan segitiga kecepatan dibagian tengah sudu jalan bisa
digambar, bagian tengah.
Gambar 4.7: Bagan kecepatan dan sketsa gambaran dari profil sudu.
Pada gambar 4.7 terlihat bahwa arah aliran alir u2=u1 menabrak sudu
turbin yang memiliki sudut 28 derajad dari garis tegak lurus poros, sehingga
putaran turbin yang dihasilkan searah dengan putaran jarum jam (Clock wise).
Tinggi air jatuh yang diketahui dari permukaan air atas dan permukaan air
bawah adalah H = 5 m. Jadi pada daerah setelah runner dan permukaan air bawah
(pipa isap) terdapat tekanan kerendahan sebesar 1 m. Gaya tangensial T dan gaya
geser S, harga perhitungan kasarnya adalah :
T = ὖ . π . B.cm . Q . (wu2 – wu1).
Harga D dalam hal ini diambil dari harganya DM.
DM =(D1 – DN)/2 = (0.5573 - 0,25) = 0.3 m

9. B = 0.15 m adalah jumlah keseluruhan lebar sudu didapat dari (D1/2 – DN/2)
cm = c2 = 5.21 m/det adalah kecepatan air melalui seluruh penampang.
W2 u - W2 u = 2.81 m/det diambil dari gambar 4.7.
T = 0.3 . π . 0.15 . 2.81. 1000 kg/m3 . 5.21 m/det
T = 2068,64 kg m/det2 = N atau 2,08 kN
4.5. Perencanaan Poros
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 dan beban lentur, sehingga dengan adanya beban ini maka
akan terjadi tegangan puntir dan tegangan lentur sebagai akibat dari adanya
momen puntir dan momen lentur (Sularso, 1983)
 Perhitungan kecepatan sudut
ω = 2 x 휋 x n
ω = 2 x 휋 x 500
ω = 3140 rpm
Gambar 4.8 : Poros
 Momen torsi pada turbin dapat dinyatakan dengan persamaan :

10. 푀푝 = 9.74 푥 105 푃
푛
푀푝 = 9.74 푥 105 95.882,94 W
500
= 186779,9 N.mm
 Momen puntir pada turbin dapat dinyatakan dengan persamaan :
푀푡푚푎푥 = 71620
p max
n
= 71620 95.882,94
500
= 13734,27 N.mm
 Tegangan geserijin dapat dinyatakan dengan persamaan :
휏푎 =
휏푏
푠푓1 푥푠푓2
Dimana:
Bahan poros Baja Krom Nikel Moliben (JIS G 4103) SNCM 1
τa = Tegangan izin poros (kg/mm2)
τb = Tegangan tarik bahan poros 85 (kg/mm2)
sf1 = Faktor kelelahan punter
sf2 = Faktor keamanan karena poros dibuat bertingkat dan diberi pasak
휏푎 =
휏푏
푠푓1 푥푠푓2
휏푎 = 850
6푥3
= 47,2 N/mm2
Harga Sf1 untuk bahan poros SF = 5,6 dan untuk bahan poros S-C = 6,
sedangkan harga dari Sf2berkisar sekitar 1,3 sampai 3 (Sularso, 1983).
 Untuk diameter poros turbin dapat dinyatakan dalam persamaan :
푑푠 = [
5,1푥 퐾푡푥퐶푏 푥푀푝
휏푎
]
1
3 (Sularso, 1983)

11. 푑푠 = [5,1푥1,5푥2,5푥186779 ,9
47,2
]
1
3 = 42.2 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, karena poros juga
menerima beban lentur dari berat turbin maka diperlukan faktor koreksi untuk
beban lentur (Cb) yang harganya antara 1,2 – 2,3 (Sularso, 1983).
 Tegangan yang terjadi pada poros
휏푡 =
푚푡
푤푡
Dimana : 푤푡 = 휋
16
푑3(푚푚)
=
3.14
16
42.23
= 14748,47 mm
Maka :
휏푡 =
푚푡
푤푡
=
13734 ,27
14748 ,47
= 0.93 N/mm2
 Pemeriksaan pasak terhadap tegangan geser yang terjadi :
Karena tegangan puntir pada poros = 0.93 N/mm2< 5,556N/mm2 dari
tegangan yang diijinkan maka aman.
4.6 Perencanaan Pasak
Bahan pasak dipilih baja jenis SNC 2 yang memiliki kekuatan tarik
85 kg/mm2.

12. Gambar 4.9 Pasak
 Tegangan Geser Yang Diijinkan Pada Pasak
휏푔 = 휎푏
푠푓푘1 ∗푠푓푘2
(Sularso, 1983)
휏푔2 =
85
6푥3
= 4,72 푁/푚푚2
휎푏 = kekuatan tarik bahan 85 kg/mm2
푠푓푘1 = Faktor kelelahan puntir 5,6 – 6
푠푓푘2 = Faktor keamanan karena poros dibuat bertingkat dan diberi
pasak 1,3 – 3
Pada perencanaan poros ini terdapat dua perhitungan yang menghasilkan
diameter poros. Yaitu pada perhitungan segitiga kecepatan dimana gaya
tangensial T dan perhitungan kekuatan material terhadap bahan poros yang
digunakan. Sehingga didapatkan perbandingan nilai keduanya sebesar 1,68 dan
dianggab sebagai safety factor poros.
 Menentukan Gaya Tangensial Terhadap Pasak:
퐹 = 푇
(
푑푠
2
)
퐹 = 2068,64
(
42.2
2
)
= 98.03 kg
 Lebar Pasak
푤 =
푑
4

13. 푤 =
42.2
4
푤 = 10.55 푚푚
 Tinggi Pasak
푡 =
2
3
푥 푤
푡 =
2
3
푥 10.55
푡 = 7.03 푚푚
 Panjang pasak :
퐿 =
2
휋 푥 휏푔1 푥 푑푠
8 푥 푡 푥 휏푔2
퐿 =
휋 푥 5,556N/mm2 푥 42.22
8 푥 7.03 푥 4,72
퐿 = 117,03 푚푚