Rangkuman dokumen tersebut adalah perancangan pembangkit listrik tenaga mikrohidro kapasitas 25 kW dengan menggunakan turbin Ossberger pada jaringan irigasi di Dusun Janjing dan Dusun Sempur, Kecamatan Trawas, Mojokerto. Perancangan tersebut menghasilkan daya output turbin 34,20 kW, efisiensi turbin 85,5%, dan efisiensi total PLTM 77,4% untuk head 7,4 meter dan debit 0,634 m3/dt."

1. PERANCANGAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO KAPASITAS 25 KW DENGAN
MENGGUNAKAN TURBIN OSSBERGER PADA JARINGAN IRIGASI DI DUSUN JANJING DAN DUSUN
SEMPUR, KECAMATAN TRAWAS, MOJOKERTO.
(Sudiantoro, Suwarso)
Jurusan Teknik Fisika Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Kampus ITS Keputih Sukolilo – Surabaya 60111
Dengan mempertimbangkan debit, head yang ada , dan daya listrik yang dibangkitkan, perancangan PLTM kapasitas
25 kW dengan menggunakan turbin Ossberger pada jaringan irigasi ini menghasilkan daya output turbin 34,20 kW, efisiensi
turbin 85,5 %, efisiensi total PLTM 77,4 % untuk head 7,4 meter, rancangan debit 0,634 m3
/dt, putaran poros turbin 500 rpm,
putaran spesifik turbin 93,89 rpm, diameter luar runner 0,435 m, diameter dalam runner 0,325 m, lebar runner 0,30 m, jumlah
sudu 24 buah, penempatan antar sudu 15o
, dan diameter pulley 0,15 m.
Kata kunci : Jaringan irigasi, mikrohidro, turbin, Ossberger, efisiensi, head, debit, runner, putaran poros, putaran spesifik, sudu,
pulley.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Krisis listrik di Indonesia nampaknya akan semakin
berkepanjangan, sejalan dengan ketidakberdayaan Perusahaan
Listrik Negara (PLN) dalam menopang kebutuhan listrik di
seluruh nusantara. Krisis listrik ini sebenarnya telah
dipredikasi banyak ahli energi di Indonesia sejak lima tahun
yang lalu. Pemadaman bergilir dan pemadaman tetap yang
sudah diberlakukan di kota-kota besar di Sumatra (Kompas
12 Juli 2004) nampaknya akan segera merembet ke daerah
lain di masa yang akan datang.
Melihat kondisi di atas maka perlu dicari strategi baru
yang dapat memenuhi kebutuhan energi dengan
meningkatkan produksi energi sekaligus menciptakan
kemudahan distribusi energi ke seluruh pelosok tanah air.
Salah satu sumber energi yang sangat cocok di Indonesia
adalah Pembangkit Listrik Tenga Mikrohidro (PLTMH).
PLTMH adalah salah satu Pembangkit Listrik Tenaga Air
(PLTA) low head dengan kapasitas kurang dari 500 Kilo Watt
(KW).
Salah satu potensi tenaga air yang belum
dimanfaatkan untuk PLTMH adalah jaringan irigasi. Di
daerah pedesaan banyak dibangun jaringan-jaringan irigasi
yang menyimpan potensi sangat besar untuk dimanfaatkan
sebagai PLTMH. Dengan demikian jaringan irigasi
mempunyai satu nilai tambah lagi disamping untuk mengairi
sawah juga sebagai PLTMH. Seperti di dusun Janjing, dusun
terpencil yang terletak dikaki bukit gunung penanggungan ini
lokasinya benar-benar terisolasi oleh dusun-dusun lainnya. Di
dusun Janjing yang dihuni tidak lebih dari 20 KK ini masih
belum ada jaringan listrik, akan tetapi potensi sumber daya
airnya yang berupa jaringan irigasinya sangat besar untuk
bisa dimanfaatkan sebagai PLTMH. Tidak seperti pada
PLTMH pada umumnya yang banyak menggunakan jenis
turbin cross-flow sebagai penggerak generator, maka untuk
PLTMH di jaringan irigasi menggunakan jenis turbin
Ossberger yang memang sangat cocok untuk instalasi
PLTMH dengan head dibawah 15 meter. Turbin jenis ini
memiliki 2 tingkat kecepatan. Dimana aliran air yang lewat
tingkat kedua menghasilkan daya kurang lebih 20% dari daya
yang dihasilkan pada tingkat pertama, jadi faedahnya pun
tetap ada dan air tanpa kesulitan meninggalkan roda jalan.
Perkembangan saat ini dari turbin Ossberger yaitu
ditambahkannya dengan pipa hisap, dan sebagai akibatnya
daya yang dihasilkan turbin menjadi lebih baik.
1.2. Permasalahan
Permasalahan yang ingin coba diangkat pada
tugas akhir ini adalah Bagaimana perancangan dari
pembangkit listrik tenaga mikrohidro dengan
menggunakan turbin ossberger pada jaringan irigasi ini?
1.3. Tujuan
Tujuan dari tugas akhir ini adalah untuk merancang
pembangkit listrik tenaga mikrohidro dengan menggunakan
turbin ossberger pada jaringan irigasi.
1.4 Batasan Masalah
Permasalahan dalam tugas akhir ini dibatasi pada :
• Debit air bersifat tetap berdasarkan curah hujan yang
ada baik pada musim hujan maupun musim kemarau.
• Head sesuai dengan keadaan dan kondisi di lokasi
lapangan.
• Turbin yang digunakan adalah jenis turbin Ossberger.
1

2. 1.5 Metodologi Penelitian
Dalam mencapai tujuan untuk memecahkan masalah
pada tugas akhir ini dilakukan langkah – langkah kegiatan
sebagai berikut :
• Survey lapangan langsung ke jaringan irigasi untuk
pengambilan data ketinggian head dan debit air.
• Studi literatur tentang PLTM dan jenis turbin yang
digunakan, yaitu turbin Ossberger.
• Perancangan instalasi PLTM di jaringan irigasi.
• Penghitungan perencanaan kapasitas yang akan
dibangkitkan, efisiensi turbin, head loss mayor dan minor,
serta perbandingan daya teoritis dan daya poros.
• Analisa hasil penghitungan
• Menarik kesimpulan dari hasil penghitungan.
• Menyusun laporan Tugas Akhir.
BAB II
TEORI PENUNJANG
2.1 Teori Dasar Aliran
Air yang mengalir mempunyai energi yang dapat
digunakan untuk memutar roda turbin, karena itu pusat-pusat
tenaga air dibangun di sungai-sungai dan dipegunungan-
pegunungan. Pusat tenaga air tersebut dapat dibedakan dalam
2 golongan, yaitu pusat tenaga air tekanan tinggi dan pusat
tenaga air tekanan rendah. Gambar 2.1 menunjukkan bagan
pusat tenaga air tekanan tinggi, dari sini dapat diketahui
dengan didirikannya bendungan di daerah yang tinggi akan
terdapatlah sebuah reservoir air yang cukup besar. Dengan
menggunakan pipa, air tersebut dialirkan ke rumah pusat
tenaga, yang dibangun dibagian bawah bendungan, dan di
Gambar 2.1 Cara kerja PLTMH secara sederhana(3)
dalam rumah tersebut telah dipasang nosel turbin, lewat nosel
itulah air akan menyemprot ke luar dan memutar roda turbin,
kemudian baru air tersebut dibuang ke sungai. Dari selisih
tinggi permukaan air atas TPA dan permukaan air bawah TPB
terdapat tinggi air jatuh H. Dengan menggunakan rumus-
rumus mekanika fluida, daya turbin, luas penampang lintang
saluran dan dimensi bagian-bagian turbin lainnya serta bentuk
energi dari aliran air dapat ditentukan.
Turbin air merupakan turbin dengan fluida kerja air.
Air mengalir dari tempat yang lebih tinggi ketempat yang
lebih rendah. Dalam hal tersebut air memiliki energi
potensial. Dalam proses aliran didalam pipa, energi potensial
berangsur-angsur berubah menjadi energi keinetik, dan energi
kinetik diubah menjadi energi mekanik ketika air memutar
roda turbin. Air mengalir melalui turbin memberi tenaga pada
penggerak (runner) dari turbin dan membuatnya berputar.
Poros penggerak berhubungan langsung dengan generator
sehingga tenaga mekanik yang terpenting tersalurkan pada
generator. Jadi turbin menempati posisi kunci dalam bidang
teknik hidroelektrik.
Setiap turbin terdiri atas sebuah penggerak (runner)
dengan bilah-bilah lengkung atau baling-baling yang disusun
begitu rupa sehingga air dapat mengalir melalui baling-baling
ini. Bentuk dan geometri dari masing-masing penggerak
berlainan, penggerak dilindungi kerangka yang memuat
mekanisme pengatur yang mengatur air dari pipa penggerak,
kecuali turbin Pelton yang pada semua turbin kerangkanya
berfungsi hidrolik dan desainnya sama pentingnya dengan
desain penggerak.
2.2 Kapasitas Air (Q)(4)
Kapasitas air merupakan hasil perkalian antara
kecepatan terhadap luas penampang aliran, persamaan
tersebut dapat ditulis sebagai berikut:
Q = A x v ……………………2.2
Dimana :
A = Luas penampang lintang saluran (m2
), v = Kecepatan
Aliran (m/s)
2.3 Head Loss(4)
Perhitungan head loss meliputi penjumlahan dari
head loss mayor (HL) dan head loss minor (HLm). Head loss
mayor disebabkan karena adanya gesekan pada dinding pipa ,
sedangkan head loss minor disebabkan karena sambungan ,
belokan, perubahan luas penampang, dan lain-lain.
2.4 Head Loss Mayor(4)
Head loss mayor disebabkan karena adanya gesekan
pada dinding pipa sepanjang aliran fluida. Besarnya head loss
mayor dapat menggunakan persamaan berikut ini
HL = f x
D
L
x
g
V
2
2
…………2.3
Dimana :
f = koefisien kerugian gesek; L = panjang pipa; D = diameter
dalam pipa (m); V = kecepatan aliran fluida dalam pipa; g =
percepatan grafitasi (m/dt)
Untuk menentukan besarnya koefisien gesek (f)
maka perlu diketahui dulu kecepatan aliran, dengan cara
menentukan besarnya bilangan Reynold (Reynold Number).
Besarnya Reynold Number dapat dicari dengan persamaan
dibawah ini:
2

3. Re =
v
xDV
…………………2.4
Dimana :
V = kecepatan fluida dalam pipa; D = diameter dalam pipa; v
= viskositas kinematik fluida (m2
/dt)
Apabila dari perhitungan diperoleh harga Re, maka
jenis aliran fluida akan dapat diketahui. Adapun harga Re
adalah sebagai berikut:
Re < 2300 aliran bersifat laminar
Re > 4000 aliran bersifat turbular
Untuk aliran laminar, besarnya koefisien gesek dapat dicari
dengan menggunakan persamaan dibawah ini :
f =
eR
64
…………………… 2.5
Sedangkan untuk aliran turbular besar koefisien geseknya
bergantung kepada Reynold Number dan Relatif Roughness
(e/D) yang dapat dilihat pada lampiran dan selanjutnya nilai
tersebut dapat diplotkan pada moudy diagram.
2.5 Head Loss Minor (HLm)(4)
Head loss minor merupakan kerugian-kerugian head
karena adanya sambungan, belokan, penyempitan, dll.
Besarnya head loss minor dicari dengan menggunakan
persamaan sebagai berikut:
HLm = f x
D
Le
x
g
V
2
2
 K = f x
D
Le
HLm = K x
g
V
2
2
……………2.6
Dimana:
K = koefisien kerugian; V = kecepatan aliran fluida dalam
pipa (m/dt); f = koefisien kerugian gesek; g = percepatan
grafitasi (m/dt);
D
Le
= panjang ekivalen
Cara menentukan harga K untuk berbagai bentuk
transisi pipa akan diperinci, sebagai berikut:
1. Ujung masuk pipa
Jika V merupakan kecepatan dalam pipa, maka
harga koefisien kerugian K dari rumus diatas
untuk berbagai bentuk ujung masuk pipa
menurut persamaan Weisbach adalah sebagai
berikut:
(i) K = 0,5
(ii) K = 0,25
(iii) K = ),06 (untuk r kecil) sampai
0,005 (untuk r besar)
(iv) K = 0,56
(v) K = 3,0 (untuk sudut tajam)
sampai 1,3 (untuk sudut 45o
)
(vi) K = K1 + 0,3 cos θ + 0,2 cos2
θ
Dimana K1 adalah koefisien kerugian bentuk dari ujung
masuk pipa.
Gambar 2.5 Berbagai bentuk ujung masuk pipa(4)
2. Ujung keluar pipa
Koefisien kerugian pada ujung keluar pipa
adalah K = 0,1
3. Belokan pipa
Ada dua macam belokan pipa, yaitu belokan
lengkung dan belokan patah
Untuk belokan lengkung sering digunakan rumus
Fuller dimana K dinyatakan sebagai berikut:
K =
5,05,3
902
847,1131,0 



















+
θ
R
D
…2.7
Dimana:
D = diameter dalam pipa (m); R = jari-jari lengkung belokan
(m); θ = sudut belokan; K = koefisien kerugian
Gambar 2.6 Koefisien kerugian pada belokan pipa(4)
Untuk belokan patah didapat dari percobaan
Weisbach dimana K dinyatakan sebagai berikut:
3

4. K = 0,946 sin2
4
sin047,2
2
+
θ
2
θ
………2.8
Dimana θ : sudut belokan
Tabel 2.2 Koefisien belokan pada pipa(4)
4. Pembesaran dan penyempitan
Untuk pembesaran dan penyempitan patah,
koefisien kerugiannya didapatkan dari penarikan
garis antara Area Ratio (A2/A1) dengan grafik
masing-masing pada diagram dibawah ini.
Gambar 2.7 Koefisien kerugian perubahan penampang patah(4)
Untuk penyempitan secara gradual, koefisien kerugiannya
didapatkan dari table dibawah ini, sesuai dengan derajat
penyempitannya.
Tabel 2.3 Koefisien kerugian penyempitan gradual(4)
Untuk pipa maupun perubahan yang terbentuk selain bulat
maka harga hidrolik diameternya sebagai berikut:
Dh =
P
A4
……………………2.9
Dimana:
Dh = diameter hiodrolik; A = luas penampang pipa bulat; P =
keliling pipa selain bulat
2.6 Hukum I Thermodinamika(4)
Persamaan Hukum I Thermodinamika
Q - W =
dt
dE
system ………2.10
Dimana:
∫ ∫+∀
∂
∂
=
cv cs
AdVede
t
sistem
dt
dE 
..... ρρ
Persamaan momen of momentum dalam system (C ∀II)
Sistem
dt
Hd
T


= …………………2.11
dimana:
=T

total torsi system; H

= momentum anguler dalam
system
Persamaan momentum anguler dalam system
∫ ∫∀
∀==
)( )(sistemM sistem
dVxrdmVxrH ρ

…2.12
Persamaan ini bisa langsung digunakan dalam persamaan
momen of momentum
∫ ++=
)(sistemM
shaftTdmgxrsFxrT

…
2.13
Hubungan antara system dan C ∀yang tetap adalah
∫ ∫+∀
∂
∂
=>
cv cst
AdVdsistem
dt
dN 
.ηρηρ
dimana: Nsistem = ∫ )( sistemM
dmη
Jika N = H

dan Vxr

=η , maka:
∫ ∫+∀
∂
∂
=>
cv cst
AdVVxrdVxrsistem
dt
dN 
.ρρ
4
5 10 15 22,5 30 45 60 90
f Halus 0,016 0,034 0,042 0,066 0,13 0,236 0,471 1,129
Kasar 0,024 0,44 0,062 0,154 0,165 0,32 0,684 1,265
θ
0

5. Kombinasi dari persamaan diatas
sistem
dt
Hd
T >=


∫ ++
)(sistemM
shaftTdmgxrsFxr

=
∫ ∫+∀
∂
∂
cv cst
AdVVxrdVxr

.ρρ ………
2.14
2.7 Aplikasi Pada Turbo Mesin(4)
AdVVxrdrx
t
shaftTxgdmrxFSr CSCVsistemM

.)( ρνρ ∫∫∫ +∀
∂
∂
=++
Asumsi :
(1) Torsi yang disebabkan oleh gaya surface
diabaikan
(2) Karena gaya body simetri, maka diabaikan
(3) Aliran Steady
Maka :
AdVVxrshaftT CS

ρ∫=
…………………...2.15
Jika : m = AdV

ρ , maka:
kmCurCurkTshaft ˆ)(ˆ. 1122
−= ………2.16
mCurCurTshaft )( 1122 −= ….……….2.17
Dimana Tshaft <0, untuk turbin.
Jadi persamaan Euler turbin adalah
mCurCurTshaft )( 1122 −−= …………2.18
mCurCurTshaft )( 2211 −=
…………..2.19
2.7 Daya Turbin Teoritis(4)
Daya turbin teoritis didapatkan dari perkalian dot
dari kecepatan angular turbin ( )(ω

dan torsi )( shaftT

,
sehingga persamaanya dapat ditulis sebagai berikut:
kshaftTkshaftTWin
 ... ωω == ………2.20
mCurCurshaftTWin

 )(. 2211 −== ωω
untuk u = r.ω , maka
mCuuCuuWin
 )( 2211 −=
Gambar 2.9 Kecepatan yang bekerja pada sudu
Karena turbin Ossberger ini memiliki dua tingkat kecepatan,
maka:
mCuuCuuCuuCuuWin
 )()( 44332211 −+−=
Dimana: un = kecepatan tangensial, n menunjukkan posisinya;
Cun = kecepatan mutlak tangensial, n menunjukkan posisinya.
2.8 Turbin Ossberger(7)
Turbin aliran Ossberger, gambar 2.10 pemasukan air ke
sudu turbin secara radial. Air disalurkan melewati sudu-sudu
jalan yang berbentuk silinder, pertama-tama air dari luar
masuk kedalam silinder sudu-sudu dan kemudian dari dalam
keluar.
Gambar 2.10 Penampang turbin aliran Ossberger(7)
Jadi kerjanya roda turbin ini adalah seperti turbin
pelton yaitu hanya sebagian sudu-sudu saja yang bekerja
membalikkan aliran air. Turbin aliran ini baik sekali
digunakan untuk pusat tenaga air yang kecil dengan daya
kurang lebih 750 kW. Tinggi air jatuh yang bisa digunakan
diatas 1 m sampai dengan 200 m dan kapasitasnya antara 0,02
m3
/detik sampai dengan 7 m3
/detik. Randemennya kurang
lebih 80%. Kecepatan putarnya antara 60/menit sampai
200/menit tergantung kepada diameter roda.
Gambar 2.11
Grafik randemen
turbin Ossberger(3)
Turbin
jenis ini memiliki 2
tingkat kecepatan.
Dimana aliran air yang lewat tingkat kedua menghasilkan
daya kurang lebih 20% dari daya yang dihasilkan pada tingkat
5
(3)(2)(1)

6. pertama, jadi faedahnya pun tetap ada dan air tanpa kesulitan
meninggalkan roda jalan. Perkembangan saat ini dari turbin
Ossberger yaitu ditambahkannya dengan pipa hisap, dan
sebagai akibatnya daya yang dihasilkan turbin menjadi lebih
baik.
Gambar 2.12 Konstruksi Turbin Ossberger(7)
Di dalam daerah daya turbin tersebut diatas cocok
untuk dipakai menggerakkan penggilingan, penggergajian
kayu, Bengkel, Generator listrik kecil, pompa-pompa dan
lain-lainnya, jadi turbin ini telah tersebar jauh dimana-mana
BAB III
PERANCANGAN DAN PENGUMPULAN DATA
3.1 Pengumpulan Data.
3.1.1 Data Generator
Adapun generator yang digunakan adalah generator
alternator Stamford BC184G (3 phase) dengan spesifikasi:
Class H
Serus star : 400V
Daya : 31,3 kVA
Daya Output : 25 kW
Cos Ф : 0,8
Efisiensi : 0,87
Frekuensi : 50 Hz
Putaran : 1500 rpm
3.1.2 Data Belt(1)
Untuk mentransmisikan daya dari turbin ke
generator digunakan flat belt dengan type GT 20, dengan
efisiensi 0,89.
3.1.3 Debit Saluran Irigasi Utama dan Kali Maron
Debit air merupakan hasil perkalian antara kecepatan
terhadap luas penampang aliran, persamaan tersebut dapat
ditulis sebagai berikut:
Q = A x v
Dimana :
A = Luas penampang lintang saluran (m2
), v = Kecepatan
Aliran (m/s).
Oleh karena debit air yang masuk melalui saluran
irigasi utama adalah berasal dari aliran Kali Maron, maka
agar didapatkan debit air yang konstan sepanjang tahun
diperlukan penelitian dan pengambilan data debit air dari Kali
Maron tersebut. Data yang diperoleh didapatkan dari PPLH
Seloliman yaitu data debit bulanan Kalimaron dalam rentang
waktu tahun 1994 – 2004. Untuk lebih jelasnya data tersebut
ditampilkan dalam bentuk table dan grafik.
Tabel 3.1 Debit bulanan Kali Maron tahun 1994 - 2004
Gambar 3.1 Grafik Debit Bulanan Kali Maron tahun 1994 – 2004
Berdasarkan data debit bulanan dalam bentuk tabel
dan grafik diatas dapat dilihat bahwa debit terendah terjadi
pada bulan-bulan Juni – September dengan kisaran debit
antara 3,000 m3
/dt – 3,800 m3
/dt. Kemudian dilakukan
pengukuran debit maksimum yang dapat dilalui pada saluran
irigasi utama. Pengukuran dilakukan dengan membuka pintu
air pada saluran irigasi utama dengan bukaan pintu 100 %,
kemudian dilakukan pengukuran kecepatan air yang mengalir
pada saluran irigasi utama tersebut.
Untuk mendapatkan besarnya kecepatan aliran air,
dilakukan pengukuran dengan menggunakan flow meter.
Kemudian dilakukan juga pengukuran luas penampang
saluran irigasi utama untuk mendapatkan besarnya luas
penampang saluran irigasi utama. Setelah didapatkan
besarnya kecepatan aliran air yang mengalir melalui saluran
6
Tahun Januari Februari Maret April Mei Juni Juli Agustus September Oktober Nopember Desember
1994 7.435 7.894 7.387 6.144 4.885 5.754 4.030 3.269 3.453 5.575 7.903 7.865
1995 7.761 7.600 7.584 5.033 5.615 4.782 3.011 3.199 3.199 4.859 6.646 7.117
1996 6.291 7.273 6.369 3.232 4.874 4.099 3.896 4.374 3.528 4.397 5.650 7.875
1997 7.722 6.004 7.842 5.289 4.709 3.418 3.657 3.903 4.333 5.447 6.417 6.775
1998 6.285 6.908 7.834 6.925 5.988 5.924 3.056 3.600 3.499 4.088 6.335 7.653
1999 7.322 7.209 7.660 6.211 6.915 4.685 4.701 3.034 3.476 5.582 5.924 7.929
2000 8.007 8.871 7.094 4.125 4.667 3.079 3.218 3.117 3.831 3.737 3.565 4.865
2001 5.521 3.780 4.639 4.735 3.905 3.294 3.803 3.967 3.140 3.896 5.425 7.628
2002 7.165 7.280 7.620 6.666 6.019 5.706 3.768 3.150 4.981 4.133 6.148 7.029
2003 8.434 7.991 8.227 6.056 5.496 3.186 3.414 4.675 3.919 3.450 7.974 7.367
2004 7.468 7.501 7.035 6.451 0 0 3.446 4.324 4.583 3.003 7.761 7.445
Total 79.411 78.311 79.291 60.867 53.073 43.927 40.000 40.612 41.942 48.167 69.748 79.548
Rata-rata 7.219 7.119 7.208 5.533 4.825 3.993 3.636 3.692 3.813 4.379 6.341 7.232
Sumber : Data statistik PPLH Seloliman
DATA DEBIT BULANAN KALIMARON
TAHUN 1994 - 2004
Gafik Debit Bulanan Kali Maron
tahun 1994 - 2004
0
1
2
3
4
5
6
7
8
JanuariFebruari
M
aret
April
M
ei
Juni
JuliAgustusSeptem
berO
ktoberNopem
berDesem
ber
debit(m3/dt)

7. irigasi utama dan juga didapatkan besarnya luas penampang
saluran irigasi utama maka bisa dihitung besarnya debit
maksimum yang dapat memalui saluran irigasi utama
Luas Penampang Saluran (A)
Gambar 4.1
Penampang saluran irigasi utama.
L1 (lebar bawah) = 152 cm
L2 (lebar atas) = 187 cm
t = 100 cm
Lebar permukaan air pada saluran pembawa (L2)
Perbandingan segitiga sama kaki
t
t
LL
LL 1
13
12
=
−
−
100
59
152187
1522
=
−
−L
L2 = 172,65 cm
Luas penampang air pada saluran tersebut :
1
21
2
xt
LL
A
+
=
59
2
65,172152
xA
+
=
A = 9577,175 cm2
A = 0,9577 m2
≈ 0,96 m2
Kecepatan Aliran (v)
Dari hasil pengukuran kecepatan aliran dengan menggunakan
flow meter yang diambil pada saluran irigasi utama
didapatkan bahwa kecepatan aliran pada saluran irigasi utama
menuju ke bak pembagi saluran irigasi adalah sebesar 1,14
m/dt
Jadi debit air pada saluran irigasi utama menuju bak pembagi
saluran irigasi adalah :
Q = A x v
Q = 0,96 m2
x 1,14 m/dt
Q = 1,0944 m3
/dt
Q = 1094,4 liter/dt
Debit maksimum pada saluran irigasi utama adalah
sebesar 1,0944 m3
/dt, sementara debit minimum Kali Maron
berkisar antara 3,000 m3
/dt – 3,800 m3
/dt. Hal ini berarti
bahwa debit minimum Kali Maron masih mampu untuk
digunakan sebagai aliran irigasi dan untuk produksi PLTM,
dengan kata lain PLTM dapat beroperasi dengan produksi 100
% setiap tahunnya.
3.1.4 Perencanaan Kapasitas Turbin Ossberger
Dalam perancangan PLTM dengan kapasitas daya
keluaran generator sebesar 25 kW listrik, penentuan kapasitas
daya keluaran turbin sebagai penggerak generator adalah
sangat penting. Penentuan kapasitas daya turbin dapat
dihitung dengan membagi daya keluaran generator dengan
efisiensi generator dan belt.
WG.out = Wm x ηG x ηBelt
25 kW = Wm x 0,80 x 0,89
Wm = 35 kW
Dari perhitungan diatas, maka kapasitas daya turbin yang
digunakan adalah 35 kW. Untuk efisiensi generator dan
efisiensi belt digunakan nilai efisiensi yang minimum
3.1.5 Debit Perencanaan dan Head
Debit perencanaan adalah debit air yang mengalir
melalui Pipa Pesat menuju ke turbin untuk memutar turbin.
Debit perencanaan ini dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan (2.1)
P = Q x w x g x H x ητ
40 kW = Q x 1000 kg/m3
x 9,8 m2
/dt x 7,4 m x 0,80
Q = 0,634 m3
/dt
Head adalah selisih tinggi permukaan air atas dan tinggi
permukaan air bawah, diukur vertikal. Pengukuran head dapat
menggunakan sebuah alat yang bernama theodolite. Dari hasil
pengukuran didapatkan nilai head sebesar 7,4 meter.
3.1.6 Laju Aliran Massa ( m )
Laju aliran massa ( m ) merupakan massa air masuk
ke turbin untuk memutar roda turbin. Laju aliran massa dapat
dicari dengan mengalikan kapasitas air dengan massa jenis
air.
Dimana:
ρ = massa jenis air = 997 kg/m3
(lampiran 1 pada T = 250
C)
7
L
3
L
2
L
1
t1
= 59
cm

8. Q = kapasitas air = 0,684 m3
/dt
m = Q x ρ
m = 0,634 m3
/dt x 997 kg/m3
m = 632,10 kg/dt
3.1.7 Perencanaan Pipa Pesat(5)
Pipa pesat adalah pipa yang membawa air jatuh ke
arah mesin turbin. Disamping itu pipa pesat juga
mempertahankan tekanan air jatuh sehingga energi tidak
terbuang. Dalam perencanaan pipa pesat ini perlu ditentukan
diameter yang ekonomis karena pipa dengan diameter besar
mengakibatkan tebalnya lebih besar, beratnya lebih besar,
sehingga harga jadi lebih mahal. Tetapi kecepatan aliran
menjadi lebih kecil, sehingga head loss karena pergesekan dan
tikungan menjadi lebih kecil juga. Sementara pipa dengan
diameter kecil mengakibatkan tebalnya lebih kecil, beratnya
lebih kecil, sehingga harga jadi lebih murah. Tetapi kecepatan
menjadi lebih besar sehingga kehilangan energi juga menjadi
lebih besar. Oleh karena pertimbangan-pertimbangan diatas
maka diperlukan untuk menentukan diameter pipa yang lebih
ekonomis. Untuk perancangan PLTM ini, maka penulis
memilih alternatif pemilihan diameter pipa berdasarkan
pertimbangan Head Loss yang paling kecil.
3.1.8 Penentuan Kecepatan putar Turbin Ossberger(7)
Pada perancangan Pembangkit Listrik Tenaga
Mikrohidro (PLTM) di jaringan irigasi ini, digunakan
generator dengan kecepatan putar 1500 rpm. Kecepatan putar
poros turbin (nturbin) dapat dihitung dengan persamaan
i =
turbin
generator
n
n
dimana nilai i = 1, 2 atau 3
i = 1 menunjukkan kecepatan putar turbin tinggi
i = 2 menunjukkan kecepatan putar turbin sedang
i = 3 menunjukkan kecepatan putar turbin rendah
karena turbin Ossberger ini adalah termasuk dalam
golongan turbin dengan kecepatan putar rendah maka nilai i
diambil yang i = 3. Sehingga kecepatan poros turbin sebesar:
nturbin =
i
ngenerator
=
3
1500
= 500 rpm
Dengan demikian maka kecepatan putar poros turbin yang
digunakan adalah sebesar 500 rpm.
3.1.9 Penentuan Kecepatan Spesifik Turbin(7)
Setelah diketahui kecepatan putar porosnya maka
dapat dihitung besarnya kecepatan spesifik turbin.
nq =
4
3
H
Qn
rpm
nq =
4
3
87,6
634,0500
nq = 93,89 rpm
Dengan demikian maka kecepatan spesifik turbin adalah
sebesar 93,89 rpm. kecepatan spesifik turbin, ini nantinya
akan digunakan dalam perhitungan penentuan dimensi turbin.
BAB IV
PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN HASIL
PERANCANGAN
4.2 Perhitungan Hasil Perancangan
4.2.1 Head Loss(4)
Kerugian dalam instalasi ini merupakan kerugian
yang disebabkan oleh aliran air dalam pipa (head loss mayor)
dan oleh belokan-belokan, penyempitan, pelebaran, dll (head
loss minor).
• Pada Pipa Pesat
Untuk pipa yang dipergunakan adalah pipa jenis
PVC yang tertanam didalam tanah sedalam 1.5 m, dimana:
- Panjang total = 32 m
- Elbow = 77o
- Belokan Patah = 15o
dan 35o
- Diameter = 0,50 m
• Kecepatan Aliran Dalam Pipa Pesat
Kecepatan aliran dalam pipa merupakan
perbandingan antara kapasitas air dengan luas penampang
pipa.
2
4
xD
xQ
A
Q
v
π
==
2
3
)50,0(
/634,04
mx
dtmx
A
Q
v
π
==
v = 3,23 m/dt
• Reynolds Number(4)
Reynolds number ini dihitung untuk mengetahui
bentuk aliran dalam pipa. Besar Reynolds number dicari
dengan menggunakan persamaan dibawah ini:
Re =
v
xDV
v = viskositas
kinematik = 0,9.10-6
m2
/s
8

9. Re =
dtmx
mxdtm
/109,0
50,0/23,3
26−
Re = 17944444,44
Karena Re>4000, maka aliran fluida
bersifat turbulen.
• Head Loss Mayor (HL)(4)
Setelah menentukan jenis aliran fluidanya, kemudian
menentukan besarnya koefisien gesek pipa. Karena bahan
pipa dari PVC maka diperoleh harga e = 0,00021 cm
(lampiran 2). Berdasarkan bahan PVC tersebut, maka dapat
diketahui harga e/D = 0,0000042. Dengan mengetahui Re dan
e/D maka diperoleh koefisien gesek f menggunakan Moudy
diagram, f = 0,009 (lampiran 3).
Besarnya Head Loss Mayor (HL)
HL = f x
g
v
x
D
L
2
2
HL = 0,009 x
dtmx
m
x
m
m
/81,92
)23,3(
5,0
32 2
HL = 0,24 m
• Head Loss Minor (HLm)(4)
Head loss minor merupakan kerugian-kerugian head
karena adanya sambungan, belokan, penyempitan, dll.
• Untuk model ujung masuk pipa seperti gambar 4.2
Gambar 4.1 Ujung masuk pipa
K = K1 + 0,3 x Cos θ + 0,2 x Cos2
θ  K1 = 0,5
K = 0,5 + 0,3 x Cos 77o
+ 0,2 x Cos2
77o
K = 0,57
• Belokan patah 15o
K = 0,946 x Sin2
θ/2 + 2,047 x Sin4
θ/2
K = 0,946 x Sin2
15o
/2 + 2,047 x Sin4
15o
/2
K = 0,0166
• Belokan patah 35o
K = 0,946 x Sin2
θ/2 + 2,047 x Sin4
θ/2
K = 0,946 x Sin2
35o
/2 + 2,047 x Sin4
35o
/2
K = 0,103
• Perubahan penampang dari bulat ke bujur sangkar
o Luas penampang bulat (A1) =
2
22
196,0
4
)50,0(
4
m
D
==
ππ
o Luas penampang bujur sangkar (A2) = S2
= 0,502
= 0,25m2
o Perbandingan luas penampang 





2
1
A
A
=
25,0
196,0
= 0,784
o Expantion loss coefficient (Ke) = 0,033
• Perubahan penampang dari deflector
o Untuk penampang bujur sangkar Dh1 =
50,0
4
44 2
=== s
s
s
P
A
m
o Untuk penampang persegi panjang
Dh2 =
m
hb
bh
30,0
)217,050,0(2
217,0.50,0.4
)(2
4
=
+
=
+
o Diameter ratio, β = 6,0
50,0
30,0
1
2
==
Dh
Dh
o Contraction loss coefficient (Ke) = 0,1
• Head Loss minor
HLm = (K1 + K2 + Ke + KC)
g
v
2
2
HLm = (0,57 + 0,012 + 0,033 + 0,1)
81,92
23,3 2
x
HLm = 0,29 m
• Head Loss Total Pipa Pesat
Besarnya head loss total pada pipa pesat dapat
ditentukan dengan menjumlahkan head loss mayor dan head
loss minor
HLtotal = HL + HLm
HLtotal = 0,24 + 0,29
HLtotal = 0,53 m
4.2.2 Perhitungan dimensi utama turbin (7)
.
Pada perancangan ini menggunakan metode yang
digunakan oleh A.G.M. Michell dan Donati Banki, dimana
mereka adalah penemu turbin jenis ini (Turbin Ossberger).
• Menentukan diameter runner.
9
v
θ

10. • Sisi masuk roda turbin.
Diameter runner dapat dicari dengan menggunakan
persamaan :
D1 =
xn
xu
π
160
Dimana besarnya u1 = u1
*
gH2
Sedangkan nilai u1
*
didapat dari melihat pada grafik
kecepatan spesifik. Dari grafik didapat harga u1
*
= 0,98 maka:
u1 = 0,98 81,9287,6 xx
= 11,38 m/dt
sehingga harga D1
D1 =
50014,3
38,1160
x
x
= 0,435 m
Untuk mendapatkan segitiga kecepatan masuk, perhitungan
dapat dilakukan dari persamaan Euler
1uc =
1u
xgxHTη
=
38,11
87,681,98,0 xx
= 4,74 m/dt
Kemudian ditentukan aksial komponen dari c1 dari nilai
*
1mc
yang didapat berdasarkan grafik.
Dari grafik kita dapatkan nilai
*
1mc = 0,27, maka
cm1 =
*
1mc gH2
= 0,27 81,9287,6 xx
= 3,13 m/dt
cm1 merupakan komponen meridian dari c1 yang tegak lurus
pada arah kecepatan tangensial (u).
Dengan demikian segitiga kecepatan masuk bisa digambar.
Gambar 4.2 Segitiga kecepatan sisi masuk roda turbin
dan selanjutnya didapat:
c1 = 2
1
2
1 um cc + = 5,68 m/dt ; α1 = arc tg
1
1
u
m
c
c
= 330
β1 = arc tg
11
1
u
m
cu
c
−
= 250
;
w1 = 2
11
2
1 )( um cuc −+ = 7,34 m/dt
lebar roda
b1 =
11 mxcxD
Q
π
= 0,30 m
• Sisi keluar roda turbin.
u2i = u2i
*
gH2
Sedangkan nilai u2i
*
didapat dari melihat pada grafik
kecepatan spesifik. Dari grafik didapat harga u2i
*
= 0,45,
maka:
u2i = 0,45 81,9287,6 xx
= 5,22 m/dt
sehingga harga D2i
D2i =
50014,3
22,560
x
x
= 0,20 m
u2a = u2a
*
gH2
Sedangkan nilai u2a
*
didapat dari melihat pada grafik
kecepatan spesifik. Dari grafik didapat harga u2a
*
= 1,02,
maka:
u2a = 1,02 81,9287,6 xx
= 11,84 m/dt
sehingga harga D2a
D2a =
50014,3
84,1160
x
x
= 0,45 m
kemudian nilai u2 rata-rata = 8,53 dan D2 rata-rata = 0,325
Untuk turbin aksial arah aliran air yang
meninggalkan sudu gerak diharapkan sejajar dengan poros
turbin (α2 = 900
), sehingga besar dan arah kecepatan absolut
air meninggalkan sudu gerak (c2) sama dengan besar dan
arahnya dengan kecepatan meridiannya (cm2). Sehingga tidak
ada komponen kecepatan absolut pada arah kecepatan
tangensial.
c2 = c*
2 gH2
Sedangkan nilai c2
*
didapat dari melihat pada grafik
kecepatan spesifik. Dari grafik didapat harga c2
*
= 0,32,
maka:
c2 = 0,32 81,9287,6 xx
10
cu1
u1
cm1
c
1
α1β1
w
1

11. = 3,72 m/dt
Dari u2 = 8,53 m/dt, c2 = 3,72 m/dt yang tegak lurus ke u2,
dengan demikian segitiga kecepatan masuk bisa digambar.
Gambar 4.3 Segitiga kecepatan sisi keluar roda turbin
dan selanjutnya didapat:
α2 = 900
; β2 = arc tg
2
2
u
c
= 23,50
w2 = 2
2
2
2 uc + = 9,31 m/dt
• Sudu turbin(7)
Jumlah sudu berkisar antara 24 sudu sampai dengan
30 sudu untuk besar diameter runner 0,3048 meter sampai
dengan 0,9144 meter. Untuk perancangan ini diambil jumlah
sudu yang terkecil yaitu 24 sudu.
Penempatan sudu pada runner ;
24
3600
= 150
Jadi sudu ditempatkan setiap 150
pada runner.
• Transmisi mekanik(2)
Untuk mentransmisikan daya dari turbin ke
generator digunakan flet belt dengan type GT 20, dengan
efisiensi 0,89 (referensi 5 pada lampiran). Flet belt diletakkan
pada pulley dengan diameter yang dapat dihitung dengan cara
sebagai berikut:
generatorn
turbinn
runnerdiameter
pulleydiameter
_
_
_
_
=
1500
500
435,0
_
=
pulleydiameter
diameter pulley = 0,15 m
4.2.3 Daya Output Turbin (Wm)(4)
Daya output turbin dapat dicari dengan
menggunakan persamaan berikut ini:
Wm = [(U1.Cu1 – U2.Cu2)] m
Wm = [(11,38 x 4,74 – 9,7 x 0)] x 632,10
Wm = (53,94) x 632,10
Wm = 34195,47 Watt
Wm = 34,20 kW
4.2.4 Efisiensi Turbin(2)
Efisiensi turbin merupakan perbandingan antara
Daya output turbin (daya poros) terhadap hydraulic power
(daya air).
ηT =
QgH
W
W
W m
h
m
ρ

=
ηT =
40
20,34
ηT = 0,855 x 100 %
ηT = 85,5 %
4.2.5 Daya Output Generator(2)
Daya Output Generator dapat dihitung dengan
mengalikan daya output turbin terhadap efisiensi generator
dan belt. Persamaan tersebut dapat ditulis sebagai berikut:
WG.out = Wm x ηG x ηBelt
= 34,20 kW x 0,87 x 0,89
= 26,48 kW
4.2.6 Efisiensi PLTM(2)
Efisiensi PLTM merupakan perbandingan antara
daya output generator dengan daya output turbin. Besarnya
dapat dicari dengan persamaan sebagai berikut:
PLTMη =
m
Gout
W
W
x 100%
=
10,34
40,26
x 100%
= 77,4 %
4.3 Pembahasan Hasil Perancangan dan Perhitungan
Setelah dilakukan perhitungan-perhitungan dari data-
data dan hasil perancangan didapatkan daya output turbin atau
daya poros sebesar 34,20 kW. Sedangkan efisiensi turbin
yang dihasilkan dari perhitungan dengan membagi antara
daya poros (daya output turbin) dengan daya air (hydraulic
power) di dapatkan harga sebesar 0,855 atau 85,5 %.
Kemudian daya output generator yang dapat dihasilkan
adalah sebesar 26,48 kW yang didapatkan dengan mengalikan
daya poros dengan efisiensi generator dan belt. Generator
yang digunakan adalah Alternator Stamford BC184G 31,3
kVA dengan efisiensi 0,87 dan untuk mentransmisikan
dayanya menggunakan flet belt T20 dengan efisiensi 0,89
Perbedaan yang besar antara daya output turbin dan
daya air (hydraulic power) yang didapatkan ini bisa
disebabkan karena :
• Adanya kerugian hidrolis yang disebabkan
gesekan antara fluida dan saluran antar sudu
didalam turbin.
• Adanya kerugian mekanis yang disebabkan
gesekan-gesekan mekanik.
• Adanya kerugian sirkulasi.
• Pengaruh belokan pada deflektor yang diabaikan.
11
u
2
w2
α1
β1
c2

12. BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Telah selesai dibuat rancangan Pembangkit Listrik
Tenaga Mikrohidro kapasitas 25 kW dengan menggunakan
turbin Ossberger pada jaringan irigasi di dusun Janjing dan
dusun Sempur, Kecamatan Trawas, Mojokerto. Beberapa hal
yang dapat dikemukakan :
• PLTM pada jaringan irigasi ini dirancang untuk
spesifikasi sebagai berikut:
Daya turbin = 34,20 kW
Debit rancangan = 0,634 m3
/dt
Head minimal = 7,4 m
Putaran poros turbin = 500 rpm
Putaran spesifik turbin = 93,89 rpm
Diameter luar runner = 0,435 m
Diameter dalam runner = 0,325 m
Lebar roda jalan = 0,30 m
Jumlah sudu = 24 buah
Penempatan antar sudu = 150
Diameter pulley = 0,15 m
• Hasil rancangan PLTM pada jaringan irigasi ini sesuai
dengan hasil perhitungan, menghasilkan daya output
turbin 34,20 kW, daya output generator 26,48 kW.
• Efisiensi total PLTM 77,4 % dan Efisiensi turbin 85,5
%.
5.2 Saran
Untuk melengkapi laporan tugas akhir ini ada
beberapa saran dari penulis yang bisa diberikan sebagai bahan
pertimbangan agar untuk ke depan hasil perancangan dan
perhitungan yang didapatkan akan lebih baik lagi. Adapun
saran tersebut adalah :
• Dalam hal instalasi pipa pesat, sedapat mungkin
meminimalkan adanya belokan dan penyempitan
untuk memperkecil head loss.
• Karena memanfaatkan saluran irigasi, perlu
dipertimbangkan agar jangan sampai dengan adanya
PLTM ini malah mengurangi produktifitas debit untuk
pengairan sawah masyarakat.
DAFTAR PUSTAKA
1. Beratha, I Wayan Dr. Ir. DEA, “Diktat Kuliah
Elemen Mesin I”, FTI-ITS, Surabaya, 1996.
2. Creager, W.P, J.D. Justin, “Hydroelectric
Handbook”, John Wiley & Sons, Inc, New York,
1985.
3. Dietzel, Fritz Prof. Dipl. Ing., “Turbin, Pompa, dan
Kompresor”, Erlangga, Jakarta, 1996.
4. Fox, Robbert W., Alan T. Mc Donald, “Introduction
To Fluid Mechanics”, Threed Edition, John Wiley &
Sons, Inc, New York, 1990.
5. Jurnal IPTEK, “Pembangkit Listrik Tenaga
Mikrohidro di jaringan irigasi”, Team
Pengembangan Potensi Sumber Daya Air (Pusat
Penelitian dan Pengembangan Sumber Daya Air,
Bandung).
6. Merrill Richard, Thomas Gage, “Energy Primer :
Solar, Water, Wind, and Biofuels”, Portola Institute,
California, 1978.
7. Mockmore, C.A, Fred Merryfield, “The Banki Water
Turbine: Bulletin 25”, Oregon State University, 1949
8. Wiranto Arismunandar, “Penggerak Mula Turbin”,
ITB, Bandung, 1988.
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
Sudiantoro, dilahirkan di Surabaya, Jawa
Timur, 02 Mei 1979. Setelah lulus dari
SMUN 9 Surabaya, meneruskan
pendidikan di D3 Instrumentasi ITS, lulus
pada tahun 2001. Kemudian melanjutkan
pendidikan S1 Lintas Jalur di Jurusan
Teknik Fisika – FTI Institut Teknologi Sepuluh Nopember di
Surabaya pada tahun 2003.
12