PEMBUATAN SUDU TURBINE MENGGUNAKAN CAD DAN CAM

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pembangkit listrik tenaga air (PLTA) memproduksi seperlima dari total energi listrik dunia (World Energy Council¹). Bahkan sedikit saja peningkatan atau penurunan efesiensi yang dilakukan pada desain hidrodinamiknya dapat berpengaruh besar terhadap jumlah suplai energi listrik dunia. Kesesuain desain dan hasil manufaktur dari komponen PLTA seperti sudu turbin menjadi sangat penting karena akan berpengaruh pada efesiensi turbin. Namun disanalah letak kesulitannya, sudu turbin memiliki tingkat konpleksitas geometri yang tinggi dan hal tersebut menjadi salah satu tantangan utama industri manufaktur saat ini (Prajapati et al.²).

Industri manufaktur pada umumnya menggunakan mesin CNC (computer numerical control) dalam pembuatan sudu turbin tersebut. Secara umum mesin yang digunakan ada dua jenis, yaitu CNC 3-axis untuk pengerjaan roughing dengan CNC 5-Axis untuk pengerjaan semi-finishing dan finishing komponen sudu turbin (Prajapati et al.², Munar et al.³). Penggunaan dua jenis mesin untuk pengerjaan satu komponen secara otomotis membutuhkan dua kali pengaturan atau double setup. Setup tersebut mencakup beberapa pengaturan seperti letak benda kerja, penentuan parameter pemotongan, pemilihan toolpath, dsb. Tujuan pemilihan double setup dalam permesinan CNC sudu turbin adalah efesiensi biaya produksi (Munar et al. ³). Namun menurut C. Tournier et al.⁴ (2006) dalam penelitiannya mengenai proses manufaktur sudu turbin air, penggunaan double setup tersebut menimbulkan beberapa kesulitan yang menyebabkan turunnya tingkat produktifitas dikarenakan total waktu permesinan yang meningkat. Munar et al.³ (2007) mengatakan dalam penelitiannya tentang manufaktur propeller kapal bahwa permasalahan turunnya produktifitas yang terjadi pada double setup ini dapat diatasi dengan menerapkan single setup atau dengan kata lain seluruh pembuatan komponen dilakukan dengan satu mesin CNC 5-axis saja.

Disisi lain, perkembangan teknologi CAD/CAM dengan fitur-fitur seperti permodelan 3-Dimensi (3D) dan simulasi permesinan CNC telah berhasil mengurangi beberapa kesulitan yang dihadapi industri manufaktur. Perangkat lunak CAD (computer aided design) seperti Autodesk Inventor untuk permodelan 3D dan perangkat lunak CAM (computer aided manufacture) seperti MasterCAM sebagai alat bantu yang efektif dalam hal membuat (generate), eksekusi, dan melakukan simulasi pergerakan tool (toolpath) adalah yang umum dikenal saat ini. Perangkat lunak CAD/CAM ini dapat digunakan untuk melihat pengaruh perubahan parameter terhadap total waktu proses permesinan dalam waktu singkat. Fasilitas post-processing yang dimiliki MasterCAM juga dapat mengubah hasil simulasi toolpath menjadi kode NC (numerical control) untuk pemograman CNC (Prajapati et al.²). MasterCAM juga menyediakan fitur-fitur yang mendukung untuk simulasi permesinan sudu turbin. Prajapati et al.²(2013) contohnya, dalam penelitiannya tentang optimasi toolpath ia memanfaatkan fitur yang ada pada MasterCAM untuk melakukan simulasi permesinan sudu turbin.

Penelitian ini memfokuskan simulasi permesinan sudu turbin mikrohidro dari desain yang telah diselesaikan oleh Sarika⁵ (2012) dengan single setup pada mesin CNC milling 5-axis. Tujuannya adalah untuk mengetahui total waktu pemotongan (cutting time) sudu turbin tersebut pada single setup permesinan di mesin CNC milling 5-axis. Autodesk Inventor digunakan untuk pembuatan model 3D runner turbin. Sedangkan MasterCAM digunakan untuk melakukan simulasi proses permesinan CNC 5-axis dengan single setup. Fitur Blade Expert pada MasterCAM digunakan untuk pembuatan toolpath untuk proses roughing, semi-finishing, dan finishing benda kerja. Hasil penelitian ini diharapkan dapat menjadi referensi dalam pembuatan sudu turbin mikro hidro yang dikerjakan dengan mesin CNC 5-axis.

1.2 Tujuan Tugas Akhir

Tujuan dari penelitian pada Tugas Akhir ini untuk mendapatkan algoritma (tahapan) pada pembuatan model 3D runner turbin Kaplan berdasarkan data hasil perhitungan dan algoritma simulasi proses permesinan mesin CNC 5-axis pada pembuatan runner turbin Kaplan dengan single setup.

1.3 Manfaat Penelitian

Adapun manfaat dari penelitian ini adalah berupa informasi algoritma pembuatan model 3D pada perangkat lunak CAD dan algoritma simulasi proses permesinan menggunakan perangkat lunak CAM yang dapat digunakan sebagai referensi dalam pembuatan model 3D dan proses permesinan mesin CNC 5-axis runner turbin tipe Kaplan.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pengertian Proses Permesinan

Proses manufaktur modern telah melibatkan banyak proses didalamnya dan hal tersebut menjadi tantangan bagi para insinyur untuk dapat memililih kombinasi proses paling ekonomis untuk membuat poduk berkualitas tinggi dengan harga yang tepat (Grzesik⁶). Range produk dari yang berharga tinggi yang umumnya dibuat dalam jumlah kecil seperti mesin jet hingga komponen blade yang dibuat dalam jumlah jutaan. Untuk menjawab tantangan tersebut, para insinyur manufaktur harus memiliki pengetahuan yang jelas tentang material apa yang dapat diproses dan bentuk seperti apa yang dapat dihasilkan dari proses tersebut. Salah satu proses yang dimaksudkan adalah proses permesinan. Menurut Taufiq⁷ (1993), Proses permesinan merupakan suatu proses yang digunakan untuk mengubah bentuk suatu produk dengan cara memotongnya.

Proses permesinan juga secara umum dipahami sebagai proses pengurangan material yang dibagi atas tiga jenis proses, yaitu mekanika, termal, dan kimia. Tabel 2.1 menunjukkan klasifikasi proses pengurangan masa yang tersedia saat ini. Kelompok pertama adalah katagori mekanik yang mana merupakan proses permesinan material konvensional. Sedangkan dua proses lainnya, diklasifikasikan sebagai proses permesinan non-konvensional. Pada kasus IV katagori mekanik, tampak tidak adalanya proses pemotongan dengan suatu tool tajam terjadi, dan oleh sebab itu kasus IV ini umumnya diklasifikasikan sebagai operasi metal-forming atau pembentukan material.

Tiga teknologi dasar dengan karakteristik dimensi dan toleransi yang mampu dicapai suatu proses permesiman ditampilkan pada Gambar 2.1. Tabel 2.2 menggambarkan tingkatan proses dalam proses permesinan yang berperan dalam perubaan mikrostruktir dan sifat material pada permukaan yang dipotong.

Tabel 2.1 Klasifikasi proses pengurangan masa pada proses permesinan

Sumber: Grzesik⁶

Gambar 2.1 Hubungan dimensi komponen dengan toleransi

Sumber: Grzesik⁶

Adapun klasifikasi proses permesinan menurut gerak relatif tool (pahat) terhadap benda kerja, menurut Taufiq² diklasifikasikan dalam beberapa kelompok yaitu, proses turning (bubut), drilling (gurdi), milling (freis), grinding (gerinda), sekrap, dan sawing (gergaji) (lihat Tabel 2.2).

Sumber: Taufiq⁷

Penjelasan selanjutnya tentang beberapa proses diatas akan dibahas pada subbab-subbab berikut.

2.1.1 Proses Bubut

Proses turning atau pembubutan merupakan salah satu kelompok permesinan yang melibatkan gerak rotasi sehingga membuat pahat dapat melakukan gerak pemakanan. Kombinasi kedua gerak tersebut digunakan untuk memotong baik bagian luar maupun bagian dalam permukaan benda kerja. Mesin produksi yang dapat melakukan proses bubut dikenal dengan sebutan mesin lathe atau bubut (Astakhov³). Ilustrasi mesin bubut tertua ditemukan pada dinding batu di kuburan Petosiris, atau telah ada sejak tahun 300 sebelum masehi. Fakta tersebut telah menjadikan mesin bubut sebagai mesin perkakas tertua. Sejak saat itu, maka desain mesin bubut telah mengalami perubahan yang sudah berabad-abad lamanya. Mesin bubut modern yang dikenal saat ini setidaknya telah dilengkapi oleh motor yang powerful dan high-precision drives, yang dikendalikan secara elektronik via interface menu komputer, program yang dapat dimodifikasi dan ditampilkan langsung di mesin tersebut. Secara umum proses pembubutan digunakan untuk permukaan silindris. Adapun gerak dasar mesin bubut yang

Gambar 2.2 Gerak dasar mesin bubut

Sumber: Astakhov⁸

ditampilkan pada Gambar 2.2, diantaranya:

· Gerak utamanya adalah gerak rotasi benda kerja pada axis bubut

· Gerak keduanya merupakan gerak translasi pahat atau gerak pemakanan

Pada parallel turning (juga dikenal sebagai bubut longitudinal), arah pemakanannya parallel terhadap sumbu pembubutan. Pada facing dan parting, arah pemakanannya tegak lurus terhadap sumbu bubut. Sedangkan pada tapering, arah pemakanannya pada sudut tertentu terhadap sumbu bubut. Gambar 2.3 menunjukkan variasi pengerjaan yang dapat dilakukan di mesin bubut CNC modern.

Gambar 2.3 Variasi pengerjaan pada mesin bubut CNC modern

Sumber: Astakhov³

2.1.2 Proses gurdi

Proses gurdi merupakan cara paling mudah dalam pembuatan lubang pada logam padat (Grzesik¹). Pahat gurdi memiliki dua mata potong dan melakukan gerak potong akibat diputar pada poros utama mesin gurdi (lihat Gambar 2.4).

Gambar 2.4 Ilustrasi proses gurdi

Sumber: Taufiq⁷

Beberapa jenis proses pembuatan lubang atau proses gurdi (drilling) ditampilkan pada Gambar 2.5. Proses ini juga dapat digunakan untuk memperbesar lubang atau yang dikenal sebagai core drilling atau counter drilling. Proses pembuatan dua lubang atau lebih dengan diameter berbeda disebut step drilling. Sedangkan proses pembesaran lubang yang dapat menghasilkan akurasi dan surface finish yang lebih baik dikenal dengan sebutan proses boring. Selanjutnya, proses pembuatan lubang dengan kedalaman terbatas dikenal dengan counter-boring. Countersinking dikenal sebagai proses drilling dengan pembuatan lubang pada sudut tertentu, atau pada pembuatan chamfering. Terakhir adalah reaming atau proses pembesaran lubang namun dengan tujuan untuk menghasilkan lubang dengan ukuran dan bentuk tepat serta memiliki surface finish yang baik.

Gambar 2.5 Jenis-jenis umum proses drilling

Sumber: Grzesik⁶

2.1.3 Proses Freis (milling)

Proses freis atau milling merupakan pengerjaan yang dilakukan dengan memutar (rotating) mata pahat sebagai gerak pemakanan benda kerja hampir di seluruh arah, sehingga dapat mebentuk benda kerja yang perismatik, polydedrical atau berbentuk bebas (López de Lacalle dan Lamikiz⁸). Proses milling lebih banyak gunanya dibandingkan proses gurdi, bubut, sekrap atau proses permesinan lainnya. Hal ini dikarenakan pada proses milling, setiap sisi mata pahat milling dapat memotong material, hanya butuh sedikit pengaturan pada benda kerja, dan umumnya menghasilkan geram yang kecil sehinggal mudah untuk dibersihkan pada daerah pemotongan. Menurut López de Lacalle dan Lamikiz⁸ (2008), pada awal tahun 1900-an hingga tahun 1960-an, proses milling hanya digunakan untuk pengerjaan permukaan pelat. Namun saat ini mesin milling modern seperti CNC lima axis yang dikendalikan melalui computer numerical control (CNC), yang mana dapat mengendalikan toolpath dengan kepresisian tinggi bahkan pada pemakanan kecepatan tinggi. Oleh sebab itu, saat ini komponen yang sangat kompleks sekalipun dapat diproduksi dengan mesin milling ini, contohnya komponen cetakan untuk plastic injection mould yang biasanya memiliki bentuk permukaan sculptured dan sebagainya.

Jenis-jenis pengerjaan utama proses milling menurut geometri benda kerja atau kerumitan toolpath umumnya dikelompokkan kedalam beberapa kelompok, yaitu facemilling, square-shoulder milling, pheripherical milling atau flank milling, profile milling, Cavity or pocket milling, Slot milling. Kemudian juga terdapat jenis proses milling khusus seperti turn milling, thread milling, high speed milling, Plunge milling, Ramping, Helical interpolation, dan Trochoidal milling (López de Lacalle dan Lamikiz⁸).

Gambar 2.5 Jenis-Jenis pengerjaan utama pada mesin milling

Sumber: Grzesik⁶

Gambar 2.6 Contoh proses milling khusus. (a) Slot milling dan (b) thread milling

Sumber: López de Lacalle dan Lamikiz⁸

2.2 Mesin Perkakas Multi-Axis

Penentuan sistem koordinat menurut arah sumbu geraknya biasa menggunakan sistem koordinat dengan prinsip tangan kanan (Gambar 2.7). Suatu mesin perkakas memiliki kendali pada sumbu geraknya. Jika pergerakan simultan 2-axis tersedia, maka kendalinya disebut kendali 2-axis. Contoh mesin perkakas yang memiliki 2-axis adalah mesin bubut,yaitu pada sumbu X and Z.

Gamber 2.7 Sistem koordinat menurut kaedah tangan kanan

Sumber: Radhakrishnan⁹

2.2.1 Mesin 2-Axis

Pada Gambar 2.8 diilustrasikan arah gerak mesin perkakas 2-axis. Sumbu X untuk arah gerak melintang yang tegak lurus terhadap sumbu putar. Sedangkan Sumbu Z untuk arah gerak mendatar dan sejajar dengan sumbu putar.

Gamber 2.8 Contoh mesin perkakas 2-axis (mesin bubut)

Sumber: www.HaasCNC.com

2.2.2 Mesin 3-Axis

Ilustrasi permesinan komponen permukaan pada mesin 3-axis ditunjukkan oleh Gambar 2.10. Pada permesinan permukaan berbentuk kurva, pahat yang digunakan adalah pahat khusus dan pahat ball end mill adalah yang disarankan (Radhakrishnan⁵). Jalur gerak pahat atau toolpath saat pemotongan juga terlihat pada Gambar 2.10. Sumbu pahat selalu vertikal dan perlu dicatat bahwa setiap titik disepanjang cutting edge yang memotong permukaan benda kerja sangat bergantung pada bentuk kurvatur permukaan tersebut. Untuk mendapatkan keakuratan yang lebih baik maka dipilih mesin perkakas dengan sumbu tambahan, yaitu mesin perkakas 4-axis dan 5-axis.

Gambar 2.10 Permesinan 3-axis

Sumber: Radhakrishnan⁹

2.2.2 Mesin 4-Axis

Sebagaimana yang ditampilkan pada gambar 2.11, pergerakan mesin 4-axis sumbu pahatnya tidak selalu vertikal. Dengan kata lain sumbu pada mesin 4 axis selain sumbu X, Y,Z telah ditambahkan sumbu rotasi A. Mesin CNC 4 axis lebih dapat menjangkau bagian – bagian dari permukaan yang pada mesin 3-axis tidak dapat dijangkau, sehingga dapat membuat produk dengan giometri yang lebih kompleks dari biasa dilakukan oleh mesin CNC 3 axis.

Gambar 2.11 Permesinan 4-axis

Sumber: Radhakrishnan⁹

2.2.4 Mesin 5-Axis

Permesinan beberapa komponen-komponen pesawat membutuhkan mesin dengan pergerakan 5-axis karena komponen-komponen tersebut memiliki bentuk permukaan yang rumit (lihat Gambar 2.12). Lima sumbu yang dimiliki mesin 5-axis adalah sumbu X, Y, Z (translasi), A (rotasi pada sumbu X) dan B (rotasi pada sumbu Y). Tool diputar terhadap sumbu X begitu pula pada sumbu Y sehingga sumbu tool dan normal terhadap suatu titik potong dipermukaan menjadi collinear. Beberapa komponen yang umumnya membutuhkan permesinan 5-axis adalah tool untuk melakukan pressing pada komponen body mobil, komponen pesawat, cetakan mesin plastic injection molding, cetakan cor, impellers, propeller, dan sebagainya. Gerakan rotasi pada mesin 5-axis disediakan baik pada spindle maupun meja benda kerja. Komponen yang dikerjakan oleh mesin 5-axis hanya membutuhkan proses hand finishing yang sedikit.

Gambar 2.9 Permesinan 5-axis

Sumber: Radhakrisnan⁹

Adapun beberapa contoh konfigurasi mesin 5-axis dapat dilihat pada Tabel 2.2.

Tabel 2.2 Contoh konfigurasi mesin 5-axis

Sumber: Ann Mazakas¹⁰

Pada contoh pertama table/table, dua sumbu rotasi terletak pada table (meja). Sumbu B dan C memutar benda kerja. Gerak linier dikendalikan oleh milling head. Pada contoh kedua, meja berputar pada sumbu C namun gerak rotasi sumbu B dikendalikan oleh tool. Sumbu linier terletak pada sumbu Z. pada contoh terakhir, dua sumbu rotasi terletak pada milling head.

2.3.1 Computer Numerical Control (CNC)

Computer Numerical Control (CNC) merupakan sistem otomatisasi mesin perkakas yang dioperasikan oleh perintah yang diprogram secara abstrak dan disimpan pada media penyimpanan digital. Mesin-mesin CNC dibangun untuk menjawab tantangan di dunia manufaktur modern. Dengan menggunakan mesin CNC, ketelitian suatu produk dapat dijamin hingga 1/100 mm, pengerjaan produk masal dengan hasil yang sama persis dengan desain dan waktu permesinan yang cepat. Hal ini digunakan secara tidak langsung bagian dari proses permesinan dies dan mold yang mana mereka dicetak atau dituang,atau langsung diproduksi seperti sudu turbin. Saat ini mesin CNC mempunyai hubungan yang sangat erat dengan perangkat lunak CAD/CAM. Perangkat lunak computer aided design (CAD) memberikan dimensi produk, sedangkan perangkat lunak computer aided manugfacturing (CAM) men-simulasikan proses permesinannya. Hasil simulasi dapat disubtitusikan kedalam bentuk kode G yang dimengerti oleh mesin CNC sebagai suatu perintah pemotongan.

2.3 Teknologi CAD/CAM

Aktifitas pengembangan produk dimulai dari desain produk tersebut. Aktifitas ini sangat penting karena akan berdampak langsung pada harga, unjuk kerja, umur komponen, kualitas, mampu manufaktur, dan seterusnya dari produk. Proses manufaktur suatu komponen mesin membutuhkan gambar rancangan kompenen tersebut. Seorang operator mesin memerlukan gambar komponen yang akan dibuat dan lembaran langkah-langkah intruksi pengerjaan untuk membuat komponen tersebut. Gambar juga dibutuhkan pada saat perencanaan proses, desain tool, rencana produksi, dan CNC.

Computer aided design (CAD) merupakan salah satu teknik yang sangat baik dalam pembuatan Gambar. Pada awal pengembangannya, CAD memiliki beberapa paket untuk menggambar. Gambar 2.10 menunjukkan gambar empat pandangan dari suatu komponen. Karena pada gambar ini hanya membutuhkan dua sumbu koordinat yaitu X dan Y, maka peket pada perangkat lunak CAD tersebut disebut two-dimensional (2D) drafting packages. Seiring berevolusinya CAD, banyak dari peket-paket yang dikembangkan sudah meningkat dan berbasis 3D.

Gambar 2.10 Gambar teknik empat pandangan dari suatu komponen

Sumber: Radhakrisnan⁹

Seiring meningkatnya tantangan pada pembuatan komponen dengan kompleksitas tinggi, langkah pertama yang harus dilakukan oleh dunia manufaktur adalah mengevaluasi baik pada proses desain dan proses manufakturnya. Jika sebelumnnya adalah proses permesinan yang dilakukan untuk membuat banyak komponen untuk kemudian dirakit, maka saat ini dibuat lebih singkat dengan mengkombinasikan banyak komponen yang kemudian dirakit tersebut menjadi satu komponen tunggal yang mana dahulu masih terlalu rumit untuk dikerjakan. Suatu sistem CAM dapat membuat proses pemograman mesin CNC menjadi lebih mudah. Kemudian Sistem CAM juga menyediakan fitur simulasi permesinan real time pada komputer resiko kerusakan benda kerja pada saat permesinan pada mesin CNC dapat dihindari atau dengan kata lain risk-free (bebas resiko).

Gambar 2.11. Simulasi permesinan pada perangkat lunak CAM

Sumber: Ann Mazakas¹⁰

2.4 Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA)

Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) adalah salah satu pembangkit yang memanfaatkan aliran air untuk diubah menjadi energi listrik. Energi listrik yang dibangkitkan ini biasa disebut sebagai hidroelektrik. Pembangkit listrik ini bekerja dengan cara merubah energi air yang mengalir (dari bendungan atau air terjun) menjadi energi mekanik (dengan bantuan turbin air) dan dari energi mekanik menjadi energi listrik (dengan bantuan generator). Kemudian energi listrik tersebut dialirkan melalui jaringan-jaringan yang telah dibuat, hingga akhirnya energi listrik tersebut sampai ke konsumen.

Turbin air adalah suatu alat untuk mengubah energi air menjadi energi puntir. Energi air mengandung energi potensial termasuk komponen tekanan dan kecepatan aliran air yang terkandung didalamnya merubah energi kinetik untuk memutar turbin. Energi puntir yang dihasilkan selanjutnya diubah menjadi energi listrik melalui generator. Secara umum komponen turbin terdiri dari poros dan sudu-sudu serta sudu tetap (stationary blade) yang tidak ikut berputar. Sudu tetap berfungsi hanya mengarahkan aliran fluida sedangkan sudu putar (rotary blade) mengubah arah dan kecepatan aliran fluida sehingga menimbulkan gaya yang memutar poros.

Penjelasan lengkap mengenai daerah aplikasi dari tiap jenis turbin ditunjukkan pada Gambar 2.12 Gambar ini menunjukkan penentuan jenis turbin berdasarkan perbedaaan volume alir dan tinggi jatuh air serta daya luaran yang dapat dibangkitkan untuk setiap kategori turbin.

Gambar 2.12 Jenis turbin dan daerah operasinya

Sumber: Andrea¹¹

2.4.1 Pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH)

Tenaga air berdasarkan tingkatan daya yang dihasilkan dapat dikelompokkan atas beberapa kategori seperti mini-hidro mengacu pada daya luaran yang dihasilkan lebih kecil 2 MW, mikro-hidro lebih kecil 500 kW dan pico-hidro lebih kecil dari 10 kW. Akan tetapi secara internasional belum ada definisi mengenai tenaga air kecil yang disepakati (“small”-hydro). Penentuan tinggi atau rendah head mengacu ketinggian jatuh air, dimana head yang berada pada lebih kecil dari 2000 m dan lebih besar 2000 m dinyatakan memiliki head tinggi (200 m < H< 2000 m). Sedangkan head yang berada pada interval ketinggian lebih kecil 200 m dan lebih besar 20 m dinyatakan head menengah (20 m < H< 200 m). Untuk head yang berada pada ketinggian lebih kecil 20 m dan lebih besar 2 m dinyatakan head rendah (2 m < H< 20 m) (Irwansyah¹²).

2.4.2 Klasifikasi turbin air

Secara umum jenis turbin air dapat diklasifikasikan dalam dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi. Pada turbin impuls energi potensial air diubah menjadi energi kinetik melalui nosel. Air keluar nosel yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Adapun contoh turbin impuls diantaranya, turbin pelton dan turbin cross-flow.

Pada turbin pelton (lihat Gambar 2.12), sudu dibentuk sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah-tengah sudu dan pancaran air tersebut akan berbelok ke kedua arah sehingga dapat membalikkan pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping. Sedangkan pada turbin cross-flow, pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Air mengalir keluar membentur sudu dan memberikan energinya (lebih rendah dibanding saat masuk) kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan parallel.

Gambar 2.12 Turbin pelton

Sumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf

Gambar 2.13 sudu turbin Crossflow

Sumber : Boyle, Renewable Energy, 2nd edition, Oxford University Press, 2003

Pada turbin reaksi, sudu pada turbin mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi. Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin. Adapun jenis-jenis turbin reaksi adalah turbin francis turbin Francis dan turbin Kaplan. Turbin Francis menggunakan sudu pengarah.

Sudu pengarah mengarahkan air masuk secara tangensial. Sudu pengarah pada Turbin Francis dapat merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang tepat. Sedangkan pada turbin Kaplan, Sudu Turbin Kaplan bentuknya mirip dengan propeller perahu dan biasanya terdiri dari 6 sudu.

Gambar 2.13 Turbin francis

Gambar 2.14 Turbin Kaplan

Sumber: http://www.capture3d.com/TRITOP-app-quality-turbines-3Dmeasure.html

2.4.2 Perencanaan dimensi runner turbin Kaplan

Pada perancangan geometri turbin Kaplan atau propeller terdapat tiga variable yang harus diketahui, yaitu tinggi jatuh air (head), debit air dan kecepatan spesifik. Untuk Perencanaan dimensi turbin ada beberapa perhitungan yang harus dilakuka. Pertama perhitungan diameter runner yang dihitung berdasarkan putaran turbin, dengan mengunakan persamaam berikut (Sarika⁵):

Persamaan 1

Drunner = 60 x U1 /π x n

Dimana :

D_runner = diameter runner

U₁= kecepatan kelling sudu pada bagian ujung (m/s)

n = putaran turbin (rpm)

Sehingga jari – jari runner dihitung dengan persamaan 2

R=Drunner/2

Menghitung diameter bush (d) digunakan persamaan 3.

dbush=0,35 x Drunner

Dimana : dbush = dimana bush (m). Sehingga didapat jari – jari bush pada roda turbin adalah :

r=dbush/2

Kemudian menghitung diameter shaft (Dshaft) digunakan persamaan 5:

Dshasft= dbush/2,3

Dimana : Dshaft =Diameter shaft (m)

Untuk menghitung jarak antara sudu (L₁) dapat menggunakan persamaan 6.

L1=(Drunner x π)/z

Dimana : L1 = jarak antara sudu (m)

Z = jumlah sudu

dan terakhir, untuk menghitung lebar runner pada arah melingkar ujung sudu (L2) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 7.

L2=(dbush x π)/z

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada bab ini akan membahas asil simulasi dari software Autodesk Inventor dan mastercam, penelitian ini di kususkan oleh peroses simulasi sudu turbin kaplan

4. 1 Hasil Perhitungan

Perencanaan diameter runner

Dalam perancangan dimensi ruang pada turbin propeller di pengaruhi oleh tiga variabel,yaitu tinggi jatuh air (head), debit air dan kecepatan spesifik. Untuk Perencanaan dimensi turbin ada beberapa perhitungan yaitu :

Diameter runner

Diameter runner pada turbin propeller di hitung berdasarkan putaran turbin, dengan mengunakan persamaam (Wibowo, 2007 : 70)Drunner

Drunner=(60 x U1)/(π x n )

Dimana : Drunner = diameter runner

U1 = kecepatan kelling sudu pada bagian ujung (m/s)

n = putaran turbin (rpm)

sehingga jari – jari pada runner turbin propeller adalah :

R=Drunner/2

Diameter bush

Untuk menghitung bush (d) dapat digunakan persamaan berikut (Wibowo, 2007 : 70)

dbush = 0,35 x Drunner

Dimana : dbush = dimana bush (m)

Sehingga didapat jari – jari bush pada roda turbin adalah :

r=(dbush )/2

Diameter shaft

Untuk menghitung diameter shaft (Dshaft) dapat digunakan persamaan berikut (Wibowo, 2007 : 70)

Dshaft=(dbush )/2,3

Dimana : Dshaft =Diameter shaft (m)

Jarak antan sudu

Untuk menghitung jarak antara sudu (L1)dapat digunakan persamaan berikut (Wibowo, 2007 : 70)

L1=(Drunner x π)/z

Dimana : L1 = jarak antara sudu (m)

Z = jumlah sudu

Untuk menghitung lebar runner pada arah melingkar ujung sudu (L2) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (Wibowo, 2007 : 70) :

L2=(dbush x π)/z

Berdasar kan analisa perancangan turbin propeller sebelumnya oleh sarika , dimensi utama turbin seperti tabel di bawah ini :

4. 2 Hasil Gambar

Pandangan depan

Pandangan samping

4. 3 langkah proses

4. 3 1 Flowchart

Rouging

Blade finishing

Hub finishing

4. 3.2 Langkah proses simulasi

TAHAPAN 1

1. Bukak masterCAM ,kemudian pilih FILE, → OPEN untuk memangil gambar yang telah dibuat dengan CAD

1 2. SAHADED merubah gambar ke tiga dimensi

3. VIEW kemudian pilih toggle oprations manager, untuk menampilkan langkah pemilihan parameter

4. Mechine type untuk jenis pemilihan proses dan dipilih proses milling karena bentuk yang akan di potong rumit kemudian pilih stock setup untuk pemilihan bentuk matrial yang akan di potong cylindrical biar matrial tidak banyak terbuang karna bentuk yang akan di potong berbentuk silender

5. Tool setting untuk memilih lintasan pahat, letak mula dan akir mata tool dan pemilihan matrial yang akan di pakai.

6. Toolpaths untuk memilih lintasan yang akan di gunakan yaitu multiaxis biar pahat yang di gunakan lebih optimal karna bentuk yang akan di kerjakan sangat rumit,dan bisa mengurangi setup secara signifikan.