RANCANG BANGUN INSTALASI TURBIN FRANCIS
PADA HEAD 9,29 METER DAN UJI
EKSPERIMENTAL DENGAN VARIASI BUKAAN
SUDU PENGARAH
SKRIPSI
Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
IRVAN FATAR MANIK NIM. 060401050
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan hikmat, pengetahuan dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini dengan baik. Adapun judul dari tugas
sarjana ini adalah “ Rancang Bangun Instalasi Turbin Francis Dengan Head 9,29
meter Dan Uji Eksperimental Dengan Variasi Bukaan Sudu Pengarah.”
Tugas sarjana ini merupakan salah satu syarat bagi setiap mahasiswa Teknik Mesin untuk menyelesaikan studi pada jenjang Strata Satu (S1) di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Dalam penulisan skripsi ini Penulis menghadapi masalah dalam hal instalasi dan pemasangan alat pengujian. Namun, semangat team work yang tidak pernah surut membuat penulisan skripsi ini pun dapat diselesaikan.
Penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada pihak-pihak yang telah banyak membantu dalam penyelesaian tugas sarjana ini, terutama kepada :
1. Bapak Ir. Tekad Sitepu selaku dosen pembimbing yang senantiasa mendampingi Penulis dan yang telah banyak meluangkan waktu, tenaga serta pemikiran dalam penyelesaian tugas sarjana ini.
2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku ketua Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
dukungan, baik berupa doa dan materil demi terselesainya penulisan tugas sarjana ini.
4. Abang , kakak dan adik saya tercinta ( Mangara Indra Manik, Ivana Christina Manik, Irma Novrida Manik ) yang telah memberikan doanya dan moral pada penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.
5. Segenap staff pengajar, staff administrasi dan asisten Laboratorium Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah banyak membantu dalam penyelesaian tugas sarjana ini.
6. Muhammad Darusman, Josua Pandapotan, Jonri Freddi Tambunan, Edwin Petrus Sunshine Manurung, Binsar Pardede, Sabar Manogutua Tambunan, Edi Surya Sitanggang, Arief Ariandi, Syahreza Tamba, Quais dan Terkhusus buat Lia Sendy Hutagalung yang telah banyak membatu dalam memberi semangat serta dukungan kepada penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.
7. Rekan-rekan seperjuangan, khususnya Stambuk 2006 yang telah banyak membantu memberikan dukungan kepada Penulis dari awal perkuliahan hingga selesainya tugas sarjana ini.
Terima kasih penulis yang sebesar-besarnya penulis persembahkan kepada Orang tua penulis. Kalian begitu kuat, tegar dan sabar dalam menjalani kehidupan ini, mendidik kami, menyekolahkan kami hingga kejenjang yang tinggi, demi meraih cita-cita kami.
Akhir kata, Penulis berharap agar tugas sarjana ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Terimakasih.
Medan, Februari 2012
Penulis,
IRVAN FATAR MANIK
ABSTRAK
Penggunaan turbin air didalam sistem pembangkit tenaga listrik saat ini masih sangat dominan karena hanya memanfaatkan aliran air yang tersedia di alam. Dalam pemakaiannya kita harus memilih dan menentukan karakteristik turbin sesuai dengan kondisi dan tempat di mana turbin air dipasang agar dihasilkan energi yang optimal. Pada aplikasi turbin francis, prinsip kerja turbin francis diberi jatuhan air dari ketinggian tertentu untuk memutar sudu turbin. Putaran
sudu turbin ini akan diteruskan untuk memutar generator sehingga dihasilkan tenaga listrik. Hasil pengujian menunjukkan bahwa turbin francis dengan total
head (H) 9,29 m dan kapasitas aliran (Q) 0,013 m3/sekon yang dioperasikan pada instalasi pembangkit listrik miko hidro dengan efisiensi 9,02 % dan menghasilkan
daya 72 watt pada head 9,29 meter dengan ketinggian air dalam tempat penampungan atas (TPA) 80 cm.
DAFTAR ISI
1.2 Maksud dan Tujuan Penelitian... 2
1.3 Batasan Masalah... 2
1.4 Metodologi Penelitian... 2
1.5 Keluaran Skripsi... 3
1.6 Sistematika Penulisan... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Mekanika Fluida... 5
2.2 Pengukuran Head... . 9
2.3 Turbin Air... 12 2.4 Penggelompokan Turbin Air... 15
2.5 Perbandingan Karakteristik Turbin Air... 19
2.6 Turbin Pelton... 21
2.7 Turbin Kaplan... 24
2.8 Turbin Francis... 25
2.9 Komponen Utama Turbin Francis... 33
BAB III METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN
3.1 Umum... . 41
3.2 Pemasangan Turbin Francis... 42
3.3 Rancang Bangun Instalasi... 43
3.4 Peralatan Pengujian... 44
3.5 Generator... 47
3.6. Flowmeter... 48
3.7. Pompa Pengumpan... 49
3.8. Pelaksanaan Pengujian... 50
BAB IV HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN 4.1 Pendahuluan... 54
4.2 Kapasitas Aktual Aliran Air…... 54
4.3. Head Efektif Intalasi Turbin Francis... 55
4.4. Daya Air... 59
4.5. Daya Listrik... 60
4.6. Grafik Hasil Pengujian... 61
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan... 64
5.2 Saran... 64
DAFTAR PUSTAKA
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Pengelompokan Turbin 19 Tabel 2.2. Kecepatan Spesifik Turbin 20 Tabel 3.1. Spesipikasi Clamp Meter 45 Tabel 4.1.Kapasitas Aliran Air 55 Tabel 4.2. Head Losses Mayor 56 Tabel 4.3. Kecepatan Aliran Air Pada Pipa Saluran 57 Tabel 4.4. Koefisien Minor Losses Pada Pipa 4 Inchi 58
Tabel 4.5. Koefisien Minor Losses Pada Pipa 6 Inchi 58
Tabel 4.6. Head Losses Minor 58
Tabel 4.7. Head Efektif 59
Tabel 4.8. Daya Air 59
Tabel 4.9. Daya Listrik 60
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Bentuk Energi Pada Aliran Air 5 Gambar 2.2. Pembangkit Tenaga Air 11 Gambar 2.3. Kincir Air 12 Gambar 2.4 Turbin pelton, salah satu jenis turbin impuls 16 Gambar 2.5 Beberapa jenis turbin reaksi 16 Gambar 2.6. Skema Turbin Pancar (Turbin Pelton), jalannya tekanan
di dalam pipa dan di dalam roda jalan 17 Gambar 2.7. Sistem Kerja Dari inggi Air Jatuh mulai dari sudu 18 Gambar 2.8 Perbandingan Karakteristik Turbin 20 Gambar 2.9. Daerah Penggunaan dari Beberapa Jenis Konstruksi
Turbin yang Berbeda 21 Gambar 2.10. Aliran pancaran air dan diagram kecepatan turbin pelton 22 Gambar 2.11. Turbin Kaplan 24 Gambar 2.12. Bagian axial melalui turbin francis 26 Gambar 2.13. Bagian-bagian dari turbin francis horizontal 27 Gambar 2.14. Sketsa segitiga kecepatan pada impeller suatu turbin francis 29 Gambar 2.15. aliran fluida di dalam pipa 30 Gambar 2.16. Posisi Turbin di Bawah Generator 31 Gambar 2.17.Turbin Francis dengan Poros Vertikal 32 Gambar 2.18. Runner Dilihat Pada Gambar Potongan 34 Gambar 2.19. Generator AC 40 Gambar 3.1. Turbin Francis 43 Gambar 3.2. Instalasi pipa Untuk turbin Francis 43 Gambar 3.3. Hand Tachometer 44 Gambar 3.4. Clamp Meter 46 Gambar 3.5. Multi Meter 47
Gambar 3.6. Meteran 47
Gambar 3.7. Generator 48
Gambar 4.1. Saluran Pipa 56 Gambar 4.2. Grafik Q vs Pair 61
Gambar 4.3. Grafik bukaan sudu pengarah vs putaran turbin 62 Gambar 4.4. Grafik bukaan sudu pengarah vs Plistrik 62
DAFTAR SIMBOL
SIMBOL ARTI SATUAN
Q Kapasitas Aliran/Debit Air m3/s
A Luas Penampang m2
D Diameter m
v Kecepatan m/s
K Koefisien Kerugian Pipa - g Percepatan Gravitasi m/s2
H Head m
Heff Head Effektif m
hf Head Loses Mayor m
hm Head Loses Minor m
I Kuat Arus ampere
L Panjang Pipa m
n Putaran rpm
Plistrik Daya Listrik watt
Pair Daya Air watt
V Tegangan Listrik volt
Effisiensi %ABSTRAK
Penggunaan turbin air didalam sistem pembangkit tenaga listrik saat ini masih sangat dominan karena hanya memanfaatkan aliran air yang tersedia di alam. Dalam pemakaiannya kita harus memilih dan menentukan karakteristik turbin sesuai dengan kondisi dan tempat di mana turbin air dipasang agar dihasilkan energi yang optimal. Pada aplikasi turbin francis, prinsip kerja turbin francis diberi jatuhan air dari ketinggian tertentu untuk memutar sudu turbin. Putaran
sudu turbin ini akan diteruskan untuk memutar generator sehingga dihasilkan tenaga listrik. Hasil pengujian menunjukkan bahwa turbin francis dengan total
head (H) 9,29 m dan kapasitas aliran (Q) 0,013 m3/sekon yang dioperasikan pada instalasi pembangkit listrik miko hidro dengan efisiensi 9,02 % dan menghasilkan
daya 72 watt pada head 9,29 meter dengan ketinggian air dalam tempat penampungan atas (TPA) 80 cm.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1.Latar Belakang
Selama ini banyak negara yang menggantungkan sumber energinya pada batubara, minyak bumi dan gas alam. Namun ketergantungan terhadap bahan bakar fosil menjadi masalah besar. Hal ini dikarenakan keterbatasan bahan bakar fosil sebagai sumber daya alam yang tidak terbarukan. Pada akhirnya dunia akan kehabisan bahan bakar fosil atau bahan bakar fosil akan menjadi barang yang sangat mahal, jika ingin dipertahankan sebagai sumber energi. Di samping itu, bahan bakar fosil merupakan penyebab pencemaran udara, air dan tanah serta menghasilkan gas rumah kaca (green house gas) yang berperan dalam pemanasan global.
Untuk memenuhi kebutuhan energi yang terus meningkat tersebut, dikembangkan berbagai energi alternatif, di antaranya energi terbarukan. Potensi energi terbarukan, seperti: biomassa, panas bumi, energi surya, energi air, energi angin dan energi samudera, sampai saat ini belum banyak dimanfaatkan, padahal potensi energi terbarukan di Indonesia sangatlah besar.
Sumber daya energi terbarukan akan menawarkan pilihan yang lebih bersih untuk menggantikan bahan bakar fosil. Sumber daya tersebut lebih sedikit atau bahkan tidak mencemari atau pun menghasilkan gas rumah kaca, dan sumber daya tersebut akan tetap tersedia.
Energi air adalah salah satu sumber energi alternatif pengganti bahan bakar fosil. Dengan naiknya harga bahan bakar fosil menyebabkan nilai ekonomis air berubah. Keadaan ini menyebabkan pembangunan pusat tenaga air sebagai penghasil energi alternatif menjadi pilihan yang menarik, dampak dari pembangkit yang dibangkitkan oleh PLTA adalah bersifat ramah lingkungan dan memiliki dampak lingkungan yang sangat ramah dibandingkan dengan pembangkit lain.
dari kincir air yang merupakan mesin tenaga air tertua dan paling primitive sampai sekarang kita mengenal turbin dengan bermacam-macam jenis dengan efisiensi yang tinggi.
Desain turbin pertama kali diperkenalkan pada tahun 1824 oleh Burdin seorang enginer Perancis. Banyak desainer turbin yang mengembangkan turbin, tetapi hanya tiga turbin yang berkembang pesat hingga sekarang. Turbin francis yang dirancang oleh Francis seorang enginer Inggris, turbin pelton yang dirancang oleh Pelton seorang enginer Amerika dan turbin kaplan rancangan Prof. Kaplan.
Ada alasan yang membuat ketiga turbin ini berkembang pesat. Turbin pelton diterapkan untuk head yang tinggi dan debit air yang kecil. Turbin kaplan untuk head yang rendah dan debit air yang besar. Sedangkan turbin francis diterapkan untuk keadaan diantara turbin pelton dan Kaplan.
1.2.Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian ini, adalah:
a. Mengamati pengaruh bukaan sudu pengarah terhadap kinerja Turbin Francis Horizontal.
b. Mengetahui karakteristik dari Turbin Francis Horizontal dengan variasi bukaan sudu pengarah pada head 9,29 meter.
c. Untuk mendapatkan data kerja dan kondisi yang optimal dari Turbin Francis dengan variasi sudu pengarah.
1.3.Batasan Masalah
1.4.Manfaat Penelitian
Adapun manfaat dari penelitian ini, adalah:
a. Bagi peneliti dapat menerapkan teori Turbin Francis yang didapat selama perkuliahan dengan terjun langsung meneliti pengaruh bukaan sudu pengarah terhadap performasi Turbin Francis.
b. Bagi akademik dapat meberi pengetahuan tentang hasil penelitian yang telah dilakukan guna referensi penelitian selanjutnya.
c. Bagi masyarakat sebagai pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi bidang Konversi Energi khususnya mesin konversi energi yang memanfaatkan tenaga fluida air.
d. Sebagai pengembangan wawasan penelitian secara eksperimental pada laboratorium Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
1.5.Metodologi Penelitian
a. Studi Literatur
Berupa studi kepustakaan dengan mempelajari buku-buku, jurnal-jurnal, artikel maupun karya-karya ilmiah yang terkait, baik yang bersumber dari media cetak, elektronik maupun dari internet.
b. Diskusi Interaktif
Melakukan diskusi dalam bentuk tanya-jawab antara mahasiswa dan dosen pembimbing menyangkut hal-hal yang berkaitan dengan rancang bangun instalasi ini serta memecahkan permasalahan yang dihadapi secara bersama.
c. Rancang Bangun Instalasi Dan Alat Penelitian
d. Pengujian dan Pengambilan Data
Pengujian dilakukan beberapa kali (lima kali pengujian dan pengambilan data) yang meliputi tegangan listrik (voltase), arus listrik yang dihasilkan (ampere), putaran poros pompa dan putaran poros generator (rpm) serta debit air sehingga data yang diperoleh lebih akurat.
e. Evaluasi
Melakukan evaluasi akhir dalam bentuk kesimpulan dan saran serta revisi dari hasil proses penelitian rancang bangun instalasi.
1.6 SISTEMATIKA PENULISAN
Sistematika penulisan skripsi ini disajikan dalam 5 bab yang terdiri dari : a. BAB I : Berisi pendahuluan, latarbelakang penelitian, tujuan
penelitian, batasan masalah, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan.
b. BAB II : Tinjauan pustaka yang berisi teori dasar Mekanika Fluida dan Turbin Air ( Turbin Francis ).
c. BAB III : Berisi metodologi dan alat penelitian. d. BAB IV : Analisa hasil pengujian.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Mekanika Fluida
Air mengalir mempunyai energi yang digunakan untuk roda turbin, karena itu pusat-pusat tenaga air dibangun di sungai-sungai dan di pegunungan-pegunungan. Pusat tenaga air tersebut dapat dibedakan menjadi dua golongan yaitu pusat tenaga air tekanan tinggi dan pusat tenaga air tekanan rendah. Mula-mula air ditampung di sebuah reservoir yang besar di daerah yang tinggi, dengan menggunakan pipa, air tersebut dialirkan ke rumah pusat tenaga (powerhouse), yang dibangun dibawah bendungan, dan di dalam rumah tersebut telah dipasang sebuah piranti yang akan mengubah energi aliran menjadi energi mekanik dan akhirnya diubah menjadi energi listrik. Piranti tersebut adalah turbin yang merupakan inti dari suatu pembangkitan listrik. Dari selisih tinggi permukaan air atas (TPA) dan permukaan air bawah (TPB) terdapat tinggi jatuh (H). Gambar bisa dilihat pada Gambar 2.1. berikut ini:
Gambar 2.1 Bentuk Energi Pada Aliran Air
(http://0ne-science.blogspot.com/2012/01/mesin-flida-turbin.html)
dari aliran air dapat ditentukan. Dari kapasitas air (Q) dan tinggi air jatuh (H) dapat diperoleh daya yang dihasilkan turbin
η dengan menggunakan persamaan kontinuitas. Yang dimaksud dengan luas penampang lintang saluran adalah suatu permukaan irisan saluran yang dibuat tegak lurus dengan arah aliran air. Dengan diketahui luas penampang lintang saluran (A) dan kecepatan (v), maka kapasitas air yang mengalir (Q) :
.v A
Q (2.2)
Energi Potensial
Energi potensial adalah energi yang dimiliki oleh air karena memiliki beda ketinggian terhadap permukaan tertentu, yang dapat dirumuskan sebagai berikut :
z
Energi tekanan adalah energi yang dimiliki oleh air karena memiliki beda tekanan, dapat dituliskan rumus sebagai berikut :
Energi Kinetik
Energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh air karena memiliki kecepatan, rumus dapat ditulis sebagai berikut :
2
Bila pada aliran tersebut di atas diambil suatu jumlah air tiap 1 kg untuk
diperhitungkan, hal ini dinamakan “ spesifik energi” satuannya dalam (Nm/kg),
karena dibagi massa (kg) maka didapat.
et =
Kemudian dibagi kembali dengan percepatan gravitasi g, akan didapat salah satu ruas dari persamaan Bernoulli, yang mempunyai arti ketinggian.
2
Persamaan diatas yang terkenal dengan sebutan persamaan Bernoulli. Pada tiap saat dan tiap posisi yang ditinjau dari suatu aliran di dalam pipa tanpa gesekan yang tidak bergerak, akan mempunyai jumlah energi ketinggian tempat, tekanan dan kecepatan yang sama besar. Persamaan Bernoulli umumnya ditulis dalam bentuk :
Aliran air dari suatu tempat yang relatif lebih tinggi ke tempat yang relatif lebih rendah akan menghasilkan energi hidrolik potensial. Energi dari aliran ini dapat dimanfaatkan untuk pembangkit tenaga air dengan mengkonversinya menjadi energi mekanik pada poros turbin.
2.2. Pengukuran Head
Pada pembangkit tenaga air seperti pada gambar 2.2 perbedaan antara level reservoir atas (Zres) dan level air terendah (Ztw) disebut head kotor (gross head).
Head kotor (gross head) ini dapat disamakan dengan energi hidrolis spesifik kotor (gross specific hydraulic energy).
(2.11) Dimana g adalah gravitasi. Ketika debit air Q [m3/detik] melewati pembangkit, daya yang keluar adalah
(2.12)
Dimana :
Pgr = daya kotor (gross power) dari pembangkit (Watt) ⍴ = massa jenis air (kg/m3)
Q = debit air (m3/detik)
Untuk mengetahui sistem tenaga air lebih jauh, pada gambar 2.1 energi hidrolis spesifik antara bidang (3) dan (1) dapat dilihat pada turbin. Energi spesifik ini adalah energi spesifik bersih (net specific energy) ini dan dinyatakan dengan
(2.13)
Dan head bersih (net head) dari turbin adalah
Gambar 2.2. Pengukuran Head
(http://www.ccitonline.com/mekanikal/tiki-view_blog.php?blogId=284)
Dari gambar 2.2 dapat diperoleh dua cara mendapatkan head bersih Hn. Yang
pertama
(2.15)
Dan cara lainnya adalah
(2.16)
Dimana Hp adalah head piezometric di atas level air terendah diukur dari bidang
(1), C2/2g head dinamis pada bidang (1), dan EL/g adalah rugi energi hidrolis
2.3. Turbin Air
Tenaga air yang pertama yang mulai digunakan pada abad pertama sebelum masehi. Tenaga air mulai digunakan oleh manusia sudah sekitar 2000 tahun yang lalu yaitu ketika bangsa Yunani dan Romawi sudah mengenal kincir air, yang mana mereka meletakkan kincir air itu secara vertikal di aliran sungai yang panjang. Kincir air ini digunakan tenaganya untuk menggiling jagung dengan menggunakan roda gigi.. Tenaga air yang ditimbulkan oleh adanya energi potensial dan energi kinetik yang dimiliki oleh arus sungai yang mengalir tersebut yang akan memutar kincir air itu, oleh karena itu beroperasi penggilingan. Penggilingan menjadi tugas yang utama dilakukan dengan tenaga air kemudian, dan pada perkembangannya kincir ini kemudian dikembangkan oleh bangsa-bangsa di Asia dan Eropa Timur pada masa setelah itu yaitu sekitar abad ke 4.
Gambar 2.3. Kincir Air
(http://ovalezoval.blogspot.com/2011/04/pembangkit-listrik-tenaga-mikrohidro.html)
bervariasi ada yang dipasang secara horisontal dengan arah putaran roda dari kiri ke kanan. Kincir yang vertikal dipasang tegak ke atas, bergerak dari bawah ke atas. Pada awalnya, kincir air dipasang sedemikian sehingga pusat dari kincir tersebut berada di atas permukaan air dan arus air akan menggerakkan bagian bawah dari kincir tersebut sehingga kincir air dapat berputar. Kemudian, mereka akan mencelupkan kincir di bawah permukaan air yang melebihi dari orientasi yang sebelumnya. Pada abad ke 18, John Smeaton menguji kedua-duanya orientasi di atas dan menemukan bahwa kincir yang bekerja mendapatkan efisiensi yang lebih tinggi. Pada abad sesudahnya para insinyur telah dapat menyempurnakan kincir air menemukan dua peningkatan, diantaranya adalah sudu dari kincir air yang dibengkokkan dapat bekerja lebih baik ,dan yang kedua adalah dapat diketahui posisi yang lebih tepat dari roda sehingga dihasilkan kincir air yang efisien. Pengembangan ini membantu orang-orang dalam penggunaan dari kincir air yang sudah mempunyai tenaga yang lebih dari sebelumnya. Tenaga yang lebih tersebut tidak hanya untuk menggiling hasil panen seperti jagung dan gandum, tetapi juga dapat digunakan sebagai tenaga untuk menggerakkan konveyor, sehingga masalah pengangkutan di dalam suatu pengilingan dapat diatasi dengan penggunaan tenaga kincir air. Pada abad ke 19, turbin air telah ditemukan, dan lambat laun mulai menggeser penggunaan dari kincir air. Manusia mulai meninggalkan kincir air karena melihat bahwa turbin air jauh lebih efisien dibanding dengan kincir air. Bagaimanapun, kincir air masih tersisa di seluruh dunia sampai hari ini.
Turbin air ditemukan setelah kincir air, turbin air ini menggunakan energi gravitasi untuk memutar poros. James Francis menyempurnakan turbin yang dirancang oleh Samuel Howd's dengan cara membuat kurva pada sudu-sudunya, dan selanjutnya dikenal sebagai turbin Francis. Turbin ini digunakan untuk jangka waktu yang lama dalam suatu, tetapi kemudian mesin uap menggantikan turbin dalam pemakaian tenaga penggilingan dan lainnya. Bagaimanapun, turbin Francis akan selalu digunakan sebagai salah satu dari sumber tenaga air.
membendung arus air sungai. Untuk menyimpan air di dalam suatu reservoir, insinyur membangun suatu bendungan yang dapat menghentikan arus dari suatu aliran sungai. Mereka pada awalnya membuat bendungan dengan menggunakan tanah dan batu-batu, akan tetapi dengan berkembangnya jaman, pembuatan bendungan kemudian lebih populer menggunakan beton yang lebih kuat. Beton lebih dipilih karena dapat mencegah dari kebocoran aliran sehingga air dapat ditampung dengan daya tampung yang lebih besar tanpa membahayakan karena kuat terhadap longsor. Pada mulanya, bendungan dibuat lurus memotong sungai, konstruksi ini sangat lemah jika air yang ditampung oleh bendungan sangat besar. Berang-berang telah mengajari manusia bagaimana cara membuat suatu konstruksi bendungan yang kuat. Konstruksi bendungan yang kuat itu adalah dengan cara membagi gaya-gaya yang terjadi pada bendungan sehingga didapat suatu gaya yang menyebar dan akhirnya tekanannya menjadi berkurang. Bentuk itu adalah bendungan dibuat cembung ke arah hulu. Bendungan Hoover adalah salah satu contoh bendungan yang dibuat berdasarkan prinsip di atas. Bendungan yang mempunyai tahanan pada masing-masing sisinya, hal ini yang menyebabkan bendungan kokoh dari gaya yang ditimbulkan oleh sungai Colorado. Ketika ide mengenai pembangkitan energi listrik mulai ada, pada saat itu penggunaan turbin air mulai dilirik kembali. Pada tahun 1882, dibuat pembangkit listrik tenaga air yang pertama di dunia yang terletak di Wisconsin dengan kapasitas daya sebesar 12,5 kW. Dan pada tahun 1930-an pembangkitan di atas berkembang dengan pesat. PLTA tersebut disuplai air dari bendungan Hoover yang merupakan bendungan dari aliran sungai Colorado pada tahun 1936. PLTA tersebut terdapat beberapa turbin Francis dengan kapasitas total 130 MW. Pembangkitan ini dapat menyuplai listrik ke kota- kota besar utama pada waktu itu.
2.4. Pengelompokan Turbin Air
Menurut H. Grengg, jenis turbin air dapat digolongkan menjadi tiga sesuai dengan range dari head-nya, yaitu :
1.Turbin dengan head rendah. 2.Turbin dengan head medium. 3.Turbin dengan head tinggi.
Sedangkan menurut cara kerjanya, turbin dapat dibagi menjadi dua, yakni turbin impuls dan turbin reaksi.
Perbedan ini didasarkan pada perbedaan antara cara konversi energi pada turbin. Dengan singkat dua cara pengkonversian energi ini dijelaskan sebagai berikut:
Pada dasarnya aliran energi pada turbin impuls secara keseluruhan diubah menjadi energi kinetik sebelum transformasi di turbin. Ini berarti bahwa aliran melewati sudu runner tanpa perbedaan antara aliran masuk dan keluar. Oleh karena itu hanya gaya impuls yang ditransfer oleh perubahan arah dari vector kecepatan aliran ketika melewati sudu yang membuat energi dikonversi menjadi energi mekanik pada shaft. Aliran masuk ke runner pada tekanan yang sama dengan tekanan atmosfir dalam bentuk satu atau lebih semburan jet yang ditempatkan disekeliling runner. Ini berarti bahwa setiap jet mendorong sudu pada sebagian turbin saja. Karena itu turbin impuls juga disebut turbin partial.
Gambar 2.4 Turbin pelton, salah satu jenis turbin impuls
Pada turbin reaksi ada dua efek yang menyebabkan transfer energi dari aliran menjadi energi mekanik pada poros turbin. Pertama dari perbedaan tekanan antara aliran masuk dan keluar runner. Ini merupakan bagian reaksi dari konversi energi. Kedua adalah perubahan arah dari vector kecepatan dari aliran melalui saluran antara sudu turbin menyebabkan gaya impuls. Ini merupakan bagian impuls dari konversi energi. Perbedaan tekanan antara aliran masuk dan keluar didapat karena runner berada di dalam air secara keseluruhan. Oleh karena itu turbin ini juga disebut turbin penuh.
Gambar 2.5 Beberapa jenis turbin reaksi (http://en.wikipedia.org/wiki/turbin-reaksi)
Turbin impuls
Yang dimaksud dengan turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya dengan merubah seluruh energi air (yang teridiri dari energi potensial-tekanan-kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi puntir dalam bentuk putaran poros. Atau dengan kata lain, energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nosel. Contoh turbin impuls adalah turbin Pelton. Turbin Pelton dipakai untuk tinggi air jatuh yang besar.
Gambar 2.6. Skema Turbin Pelton
(http://rahmanta13.wordpress.com/2011/05/20/turbinair)
Turbin Reaksi
Turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir dalam bentuk putaran. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu.
Turbin ini terdiri dari sudu pengarah dan sudu jalan dan kedua sudu tersebut semuanya terendam di dalam air. Air dialirkan ke dalam sebuah terusan atau dilewatkan ke dalam sebuah cincin yang berbentuk spiral (rumah keong). Perubahan energi seluruhnya terjadi di dalam sudu gerak.
Gambar 2.7. Skema Turbin Francis (http://yuriornev.wordpress.com/)
Tabel 2.1. Pengelompokan Turbin
High
Head
Medium
Head Low Head
Impulse
Turbine
Pelton Turgo
Cross Flow Multi-Jet Pelton Turgo
Cross Flow
Reaction
Turbine Francis
Propeller Kaplan
Sumber: (http://yuriornev.wordpress.com/)
Setiap jenis turbin mempunyai suatu kcepatan spesifik tertentu. Kecepatan spesifik ini merupakan persamaan non dimensional yang dinyatakan dengan persamaan :
Dimana ;
Ns = kecepatan spesifik (rad/detik)
n = kecepatan rotasi (rpm)
P = daya yang deterima oleh poros (Watt) HE = head efektif pada bagian inlet turbin (m)
2.5. Perbandingan Karakteristik Turbin
Kecepatan spesifik setiap turbin mempunyai kisaran (range) tertentu berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air adalah sebagai berikut:
Tabel 2.2. Kecepatan Spesifik Turbin
Turbin Pelton 12 < ns< 25
Turbin Francis 60 < ns< 300
Turbin Crossflow 40 < ns< 200
Turbin Propeller 250 < ns< 1000
Sumber: (http://www.google.co.id/imgres?q=tabel+kecepatan+spesifik+turbin)
Gambar 2.8 Perbandingan Karakteristik Turbin
(http://cr4.globalspec.com/thread/22899/Hydrogen-vapour-pressure-above-20C)
Gambar 2.9 Daerah Penggunaan dari Beberapa Jenis Konstruksi Turbin yang Berbeda
(http://www.ccitonline.com/mekanikal/tiki-read_article.php?articleId=29)
Dalam pembuatan roda turbin, kebanyakan pertama sekali membuat modelnya, setelah model tersebut diselidiki, diuji dan diubah-ubah sehingga menghasilkan daya dan randemen turbin yang baik, kemudian baru dibuat roda turbin yang besar/sesungguhnya menurut bentuk modelnya.
2.6. Turbin Pelton
Turbin Pelton adalah turbin untuk tinggi terjun yang tinggi, yaitu di atas 300 meter. Teknik mengkonversikan energi potensial air menjadi energi mekanik pada roda air turbin dilakukan melalui proses impuls sehingga turbin Pelton disebut juga turbin impuls.
kapasitas air, dapat bervariasi satu sampai enam. Turbin pelton dipakai untuk tinggi jatuh air yang besar, dengan kecepatan spesifik 1 sampai 15.
Gambar dari turbin pelton dapat dilihat pada gambar 2.4 . Pancaran air dari nozzle menghantam sudu yang terpasang disekeliling runner dengan jarak yang sama. Untuk head bersih (net head) kecepatan teoritis dari pancaran air keluar nozzle didapat menurut persamaan Bernoulli
(2.18)
Bagaimanapun, kehilangan energi (energy loss) pasti terjadi di nozzle. Pengaruh ini karena koefisien gesek φ, dan persamaan di atas menjadi
(2.19)
Berdasarkan pengalaman nilai dari koefisien gesek ini adalah φ = 0,98.
Gambar 2.10. Aliran pancaran air dan diagram kecepatan turbin pelton
C1 adalah kecepatan absolute. U1 = r1ω merupakan kecepatan peripheral
dari runner yang berhubungan dengan radius r1 pada posisi (1). Arah kecepatan ini
sama dengan persinggungan pada posisi (1) dari lingkaran.
Jika c1 dan u1 diketahui, maka kecepatan v1 dari partikel air relative
terhadap sudu dapat dicari. c1 merupakan hasil penjumlahan dari v1 dan u1. Jajaran
genjang yang tercipta dari ketiga besaran ini disebut diagram kecepatan saat masuk ke sudu.
Partikel air bergerak melewati sudu dan berubah arahnya secara berangsur-angsur sampai meninggalkan sudu pada posisi (2) seperti yang diperlihatkan gambar 2.10. Pada saat pergerakan ini partikel air mentransfer gaya impuls sesuai dengan perubahan dari arah vector kecepatan relative v1 ke vector kecepatan
relative v2. Nilai dari v2 tergantung pada energi loss selama pergerakan sudu
turbin. Kerugian ini dapat dinyatakan dengan dimana adalah koefisien rugi. Dari pengalaman perkiraan nilai = 0,06. Hubungan antara v1 dan v2
didapat menurut persamaan Bernoulli :
(2.20)
Pada kasus ini h1 = h2 maka persamaan menjadi
(2.21)
Dan
(2.22)
Besar dari kecepatan v2 hampir sama dengan v1 dan memiliki arah seperti
yang ditunjukkan posisi (2).
Persamaan umum dari daya yang ditransfer adalah :
Dimana : Q = debit air
u1 = kecepatan peripheral runner dimana pancaran air menumbuk sudu
u2 = kecepatan peripheral runner saat pacaran air meninggalkan sudu
cu1 = komponen kecepatan absolute dalam arah u1
cu2 = komponen kecepatan absolute dalam arah u2
2.7. Turbin Kaplan
Desain hidrolis dari turbin Kaplan hampir mirip karena arah aliran dari pancaran guide vane adalah radial pada turbin Kaplan dan pada turbin bulb arahnya kira-kira axial. Ini berarti tidak ada perbedaan yang berarti dari interpretasi dari aliran melalui turbin ini. Oleh karena itu ilustrasi aliran pada turbin Kaplan juga berlaku untuk turbin Bulb.
Gambar 2.11. Turbin Kaplan
(http://www.hydroquebec.com/learning/hydroelectricite/types-turbines.html)
Aliran fluida dalam ruang kosong antara aliran keluar saluran guide vane ditandai (o), dan saluran masuk runner ditandai (1), merupakan pusat pusaran bebas. Aliran diasumsikan bebas dari rugi-rugi (losses) sepanjang saluran itu. Hubungan antara komponen rotasi cu0 dari kecepatan absolute co dan komponen
(2.24)
Kecepatan peripheral u1 = r1ω. Dengan adanya sudut α0 pada keluaran guide vane canal dan sudut 2 pada keluaran saluran runner maka dapat
digambarkan diagram kecepatan pada masukan dan keluaran runner. Pada gambar
β.5 ditunjukkan tiga perbedaan sudut, ω = ωnormal, ω <ωnormaland ω >ωnormal.
ω = ωnormal berarti kecepatan rotasi dari turbin menerima energi loss paling rendah pada keluaran yang diwakili dengan . Ini juga merupakan kondisi kerja untuk turbin yang memperoleh efesiensi hidrolis paling tinggi untuk sudut guide vane sebesar α0.
Daya yang ditransfer aliran dinyatakan dalam persamaan
(2.25)
Dari gambar 2.5 didapat bahwa kecepatan peripheral u2 = u1, maka persamaan di
atas menjadi :
(2.26)
2.8. Turbin Francis
Gambar 2.6 menunjukkan bagian axial yang melalui sebuah francis turbin dengan guide vane (G) dan runner (R). runner diikatkan pada poros turbin.
Turbin Francis dipasang pada dasar dari sebuah reservoir terbuka yang terisi air sampai level tertentu di atas guide vane. Sudut guide vane αo diasumsikan tetap dan runner berputar pada kecepatan sudut yang tertentu dan air diisi memenuhi seluruh ruang pada runner.
absolute dari partikel air pada pinggir keluaran guide vane adalah co. Arah co
dianggap sesuai dengan arah dari vane pada keluarannya.
Gambar 2.12. Bagian axial melalui turbin francis (http://www.nzdl.org/gsdlmod)
Diasumsikan bahwa partikel air lewat tanpa gesekan melalui ruang antara keluaran guide vane dan masukan runner. Oleh karena itu momentum pusaran tetap tidak berubah. Ini berarti rcu konstan, dan hubungan antara komponen rotasi
cu0 dan cu1 dari kecepatan c0 dan c1 berturut-turut menjadi
Dimana :
r0 adalah radius keluaran guide vane
r1 adalah radius masukan runner
kecepatan peripheral dari runner berhubungan dengan radius r1 yang
didapat dari u1=r1ω.
Daya yang ditransfer ke runner dari aliran air adalah
(2.28)
Turbin Francis Horizontal
Di bawah ini terdapat sebuah turbin francis horizontal. Air mengalir memasuki runner melalui casing dan guide vanes. Runner berputar sebagai reaksi dari aliran air. Bagian-bagian utama dari turbin francis horizontal ini adalah
runner, poros turbin, guidevanes, casing, dan draft tube.
Gambar 2.13. Bagian-bagian dari turbin francis horizontal
4. Runner
7. Runner cone
9. Sudu servomotor 10. Servomotor 14. Poros Turbin 16. Alas bearing
20. Penutup bearing
22. Shaft sealing box
23. Penutup Turbin 24. Runner seal ring
25. Sudu tetap (stay vane)
26. Scroll case
28. Sudu pengarah (guide vane)
30. guide vane lever
32. Link
33.Regulating ring
Segitiga Kecepatan Pada Turbin Francis Horizontal
Gambar 2.14. Sketsa segitiga kecepatan pada impeller suatu turbin francis
(http://yefrichan.wordpress.com/2010/05/31/klasifikasi-turbin)
C adalah kecepatan absolut, U adalah kecepatan tangensial, dan W adalah kecepatan relatif. Kecepatan absolut C adalah penjumlahan vektorik dari kecepatan tangensial U dan kecepatan relatif W.
(2.29) Berdasarkan gambar di atas, maka
(2.30)
Aliran Fluida
Gambar 2.15. aliran fluida di dalam pipa
Tinjau suatu aliran air di dalam pipa aliran Idealisasi :
Air dipandang sebagai fluida ideal, artinya tidak ada efek viscous (μ = 0)
.Aliaran adaah stasioner, artinya pada setiap penampang selama waktu yang sama mengalir sejumlah air yang sama, sehingga untuk suatu titik tertentu dalam aliran itu, tekanan dan kecepatannya tidak berubah.Air sebagai fluida inkompresibel, sehingga berat jenis air selalu konstan, 1 β = .Sistem bersifat adiabatik, yang berarti tidak ada kalor keluar ataupun masuk ke dalam sistem.
Dengan idealisasi yang telah ditentukan di atas, maka persamaan Bernauli yang menyangkut kelestarian energi mekanik fluida adalah:
(2.32)
Atau
Dimana :
= head statis [m] = head dinamis (m)
z = ketinggian yang diukur dari suatu datum (m)
Persamaan di atas tidak memperhitungkan adanya rugi-rugi pada system.
Turbin Francis dengan Poros Vertikal
Sebagai gambaran dari turbin Francis dengan poros vertical dapat dilihat gambar 2.17. Gambar tersebut merupakan potongan dari turbin Francis dengan poros vertical. Turbin dengan poros vertikal inilah yang digunakan dalam pembangkitan listrik Saguling. Komponen generator pada jenis ini berada di atas turbin.
Penempatan turbin Francis di dalam bangunan di bawah tanah adalah mungkin, yang baik dan menguntungkan untuk turbin ini adalah bila tinggi permukaan air bawah sangat berubah-ubah. Dan sebagai gambaran pula bahwa turbin berada di bawah tanah dapat di lihat gambar berikut :
Gambar 2.16. Posisi Turbin di Bawah Generator
Gambar 2.17.Turbin Francis dengan Poros Vertical
(http://usuarios.multimania.es/jrcuenca/English/Turbines/T-4.htm)
Keterangan gambar :
1. Rumah keong (Thescroll casing) 3. Sudu gerak (Runner)
4.Poros (Shaft)
5.Pipa isap (Draft tube cone) 8.Sudu penyangga (Stay vanes) 9. Sudu pengarah (Guide vanes) 12. Tutup atas turbin(Upper cover) 13.Cincin labirin (Sealing box)
14.Bantalan penghantar (Guide bearing)
15.Cincin hantaran (Regulating ring))
17.Tutup turbin bawah atau cincin roda pengarah (Lower cover) 21. Cincin labirin kontra (Replaceable wear and labyrinth rings) 22.Batang pengerak (Link)
23.Tuas (Lever)
24.Tabung blok bantalan bawah (Lower bearing for guide vane) 25. Tabung blok bantalan atas (Upper bearing for guide vane) 26. Bearing for the regulating ring
27.Lantai (Floor) 28. Rotating oil cylinder
29. Pipa kuras (Oil scoop fastened to (14a) and (14) with the opening against the rotating oil in rotating oil cylinder (28))
Pada dasarnya aliran air sama seperti pada turbin yang poros horizontal yaitu air masuk melalui pipa ((32)gambar 4.1.2) kemudian masuk ke gatevalve
(33), masuk ke rumah keong (1) selanjutnya melalui gate vane dan runner, dibuang melalui draft tube cone (5 dan 5a) ke tailrace.
2.9. Komponen Utama Turbin Francis
Komponen utama pada Turbin Francis terdiri atas beberapa bagian diantaranya adalah sebagai berikut :
1. Sudu Gerak (runner)
Runner merupakan komponen utama dalam turbin Francis. Pada dasarnya
kesebangunan sama antara keduanya. Pada gambar 2.17 dapat dilihat bahwa
runner pada turbin ditunjukan pada angka 3 berikut ini.
Gambar 2.18. Runner Dilihat Pada Gambar Potongan
(http://mediatoget.blogspot.com/2011/11/francis-turbine.html)
Pembuatan runner dapat dicor (cast steel) maupun dilas dimana sudu dilas pada hub dan ring. Pada umumnya runner dibuat dengan stainless steel, karena bahan ini sangat kuat terhadap korosi.
2. Guide vane
dapat dengan mudah diubah-ubah. Sehingga dengan mengatur perubahan dari debit (Q) akan menyebabkan terjadinya perubahan daya. Perubahan daya berbanding lurus dengan perubahan debit. Semakin besar debit air yang dialirkan semakin besar pula kapasitas daya yang dihasilkan. Inilah yang dijadikan dasar pembuatan dari guide vane, yang bertugas untuk mengatur kapasitas daya dengan cara mengatur perubahan debit air.
3. Stay Vane
Stay vane adalah alat yang berfungsi untuk mengarahkan aliran menuju ke
guide vane. Air yang berasal dari spiral case akan masuk melalui stay vane. Aliran yang bagus adalah ketika saluran ini mendapatkan debit yang sama pada seluruh lingkaran penuh. Stay vane berfungsi pula dalam mengarahkan aliran air menuju runner.
4. Spiral Case
Spiral case selain berfungsi sebagai meningkatkan kecepatan, berfungsi pula dalam membagi debit agar dapat terbagi secara merata masuk ke dalam stay vane. Penampang spiral case dibuat membesar menuju kearah hulu aliran air, sebab setelah melalui stay vane pada bagian awal air masuk kedalamnya sehingga debit air untuk masuk ke stay vane berikutnya jumlah debit berkurang hingga pada stay vane yang terakhir debit aan habis. Dengan demikian akan dihasilkan arus yang teratur, di dalam setiap lingkaran spiral yang sejajar harus menerima arus yang sama, hal ini dapat diketahui dengan putaran runner yang sama.
2.10. Generator
menciptakan air di dalamnya. Sumber enegi mekanik bisa berupa resiprokat
maupun turbin uap, air yang jatuh melalui sebuah turbin maupun kincir air, mesin pembakaran dalam, turbin angin, engkol tangan, energi surya atau matahari, udara yang dimampatkan, atau apa pun sumber energi mekanik yang lain.
Berdasarkan arus keluarannya, generator dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu generator arus searah atau biasa disebut dinamo, dan generator arus bolak-balik atau alternator. Prinsip kerja generator adalah menghasilkan arus listrik induksi dengan cara memutar gelang di antara kutub utara-selatan sebuah magnet. Perbedaan generator arus bolak-balik dan generator arus searah adalah pada cincin luncur yang berhubungan dengan tiap ujung gelung. Pada generator arus searah hanya terdapat sebuah cincin yang terbelah di tengahnya, disebut cincin belah atau
komutator.
Pada sistem pembangkit listrik biasanya menggunakan generator arus bolak-balik. Berdasarkan kecepatan memutar gelung, generator ini dibagi lagi menjadi generator sinkron dan generator asinkron (generator induksi). Disebut mesin sinkron, baik generator maupun motor karena beroperasi pada kecepatan sinkron, yaitu kecepatan dimana terbentuk medan magnet oleh gelung yang berotasi. Kecepatan sinkron ini dapat diperoleh dari :
(2.35)
Keterangan :
Ns = kecepatan sinkron (rpm)
f = frekuensi (Hz)
P = jumlah kutub dalam generator
Dalam alternator pembangkit listrik, kumparan yang diam disebut kumparan jangkar, sedangkan kumparan yang bergerak disebut kumparan medan. Kumparan jangkar dan inti besinya disebut stator dan kumparan medan dan inti besinya disebut rotor. Rotor dan turbin memiliki poros yang sama sehingga putaran turbin akan juga memutar rotor. Selain memberi putaran pada rotor, turbin juga memberi tenaga pada sebuah dinamo kecil (disebut exiter) yang berfungsi menyuplai arus listrik ke kumparan medan.
Generator induksi adalah generator listrik yang secara mekanis dan elektrik mirip dengan motor induksi. Generator induksi menghasilkan energi listrik ketika porosnya diputar lebih cepat dari kecepatan sinkron yang dimiliki motor induksi setara. Generator induksi sering digunakan untuk turbin angin dan beberapa instalasi mikro hidro karena kemampuannya untuk menghasilkan daya yang bermanfaat pada berbagai kecepatan rotor. Generator induksi secara mekanis dan elektrik lebih sederhana daripada jenis generator lainnya.
Generator induksi tidak memiliki exiter seperti pada generator sinkron, artinya generator ini memerlukan pasokan listrik eksternal untuk menghasilkan
fluks magnetik yang berputar. Pasokan listrik eksternal ini dapat diperoleh dari jaringan listrik lain ataupun dari generator itu sendiri setelah mulai menghasilkan daya. Fluks magnet berputar dari stator menginduksi arus pada rotor, yang juga menghasilkan medan magnet. Jika rotor ternyata lebih lambat dari laju fluks berputar, mesin bertindak seperti motor induksi. Jika rotor diputar lebih cepat, akan bertindak seperti generator, menghasilkan daya pada frekuensi sinkron.
medan magnet putar. Kecepatan medan magnet putar (disebut sebagai kecepatan sinkron) tergantung dari frekuensi tegangan listrik yang dihubungkan dan jumlah kutub statornya. Medan magnet putar pada kumparan stator akan memotong batang konduktor pada kumparan rotor, akibatnya pada kumparan akan dibangkitkan tegangan induksi. Pada kumparan rotor, karena batang konduktor (umumnya berupa slot alumunium yang dihubungsingkatkan pada kedua ujungnya) merupakan rangkaian yang tertutup, tegangan induksi pada rotor yang disebabkan oleh medan magnet putar stator akan menghasilkan arus listrik. Interaksi antara medan magnet putar pada stator pada arus rotor akan menimbulkan kopel yang akan memutar rotor searah dengan medan magnet putar pada stator.
Seperti yang telah diterangkan di atas, tegangan induksi pada rotor timbul karena terpotongnya batang konduktor pada rotor oleh medan magnet putar, agar tegangan induksi selalu dapat dibangkitkan pada rotor, diperlukan perbedaan relatif antara kecepatan medan magnet putar dengan kecepatan rotor yang biasa disebut sebagai slip. Pada saat beroperasi sebagai motor, motor induksi akan mempunyai slip positif, artinya kecepatan medan magnet putar akan selalu lebih besar daripada kecepatan rotor. Proses yang sebaliknya akan terjadi apabila motor induksi digunakan sebagai generator. Kopel pada rotor digerakan oleh turbin, adanya magnetisasi sisa (remannent magnetism) pada rotor umumnya cukup untuk membangkitkan tegangan awal, seperti halnya prinsip kerja sebagai motor.
1. Lebih murah daripada menggunakan generator sinkron terutama untuk keperluan daya yang rendah seperti pada PLTMH karena dapat digunakan motor bekas.
2. Generator ini tidak akan bermasalah apabila kelebihan beban (overload),
apabila terjadi kelebihan beban generator ini hanya akan berhenti menghasilkan listrik, apabila beban berlebih dilepaskan maka generator akan bekerja seperti semula.
3. Mudah dibuat dari motor induksi, hanya dengan menyambungkan kapasitor secara paralel ke motor dan dijalankan pada kecepatan lebih tinggi dari rpm yang tertera.
Kekurangan MISG dari generator sinkron adalah sebagai berikut :
1. Generator sinkron dapat dibeli dan langsung digunakan, sedangkan MISG memerlukan perhitungan nilai kapasitor sesuai yang akan dipasangkan pada motor.
2. Generator tidak dapat di-start jika dipasangkan beban, generator tidak boleh dipasangkan beban sebelum mencapai kecepatan kerja.
3. Generator ini tidak boleh digunakan untuk mengerakkan motor induksi, karena induktansi tambahan dari motor akan membatalkan reaktansi dari kapasitor dan menyebabkan generator berhenti menghasilkan listrik. Untuk pengujian tidak digunakan MISG karena alasan berikut ini: 1. Sudah ada generator dari Laboratorium Mekanika Fluida sehingga dapat
menghemat biaya.
2. Tidak ada motor induksi bekas yang dapat dipakai, sehingga akan lebih mahal jika dibeli motor induksi yang baru.
BAB III
METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN
3.1. Umum
Turbin francis bekerja dengan memakai proses tekanan lebih. Pada waktu air masuk ke roda jalan, sebagaian dari energi tinggi jatuh telah bekerja didalam sudu pengarah diubah sebagai kecepatan arus masuk. Sisa energi tinggi jatuh dimanfaatkan/atau bekerja di sudu jalan, dengan adanya pipa isap memungkinkan energi tinggi jatuh bekerja disudu jalan dengan semaksimum mungkin. Pada sisi sebelah keluar roda jalan terdapat tekanan kerendahan (kurang dari 1 atm) dan kecepatan aliran air yang tinggi. Didalam pipa isap kecepatan aliran akan berkurang dan tekanannya akan kembali naik, sehingga air akan di alirkan keluar lewat saluran air bawah dengan tekanan seperti tekanan keadaan semula.
Jalannya kecepatan dan tekanan air ketika melewati dan berproses di dalam turbin. Pipa isap pada turbin ini mempunyai tugas yang mirip dengan sudu hantar yang terdapat pada pompa sentrifugal, yaitu sama-sama mengubah energi kecepatan menjadi energi tekanan. Pada dasarnya turbin francis adalah turbin yang dikelilingi dengan sudu pengarah semuanya terbenam didalam air. Air yang masuk kedalam turbin bisa dialirkan melalui pengisian air dari atas atau melalui suatu rumah yang berbentuk spiral. Roda jalan semuanya selalu bekerja. Daya yang dihasilkan turbin bisa diatur dengan cara mengubah posisi pembukaan sudu pengarah dengan demikian kapasitas air yang masuk kedalam roda turbin bisa diperbesar atau diperkecil.
1. Instalasi saluran perpipaan 2. Instalasi flowmeter
3. Instalasi dudukan Turbin Francis 4. Instalasi sistem transmisi
5. Instalasi generator
Aliran air yang digunakan berasal dari tempat penampungan bawah (TPB) terletak dilantai satu laboratorium dipompakan ketempat penampungan atas (TPA) oleh satu unit pompa pengumpan. Kapasitas aliran (debit) air yang akan diumpankan dapat diatur melalui sebuah katup pengatur (gate valve) sesuai dengan kebutuhan. Gaya gravitasi menyebabkan fluida cair mengalir dari satu tempat yang relative tinggi menuju tempat yang relative lebih rendah. Aliran air yang jatuh dari TPA melalui pipa pesat (penstock) memiliki energi potensial sehingga akan menimbulkan daya air yang diberikan kepada Turbin Francis sebagai energi input. Kemudian daya air ini akan masuk melalui sudu pengarah pada Turbin Francis dan mendorong sudu yang kemudian memutar runner Turbin Francis. Maka zat cair mendorong sudu turbin agar dapat berputar sehingga daya runner akan diberikan untuk memutar poros turbin francis. Zat cair yang keluar setelah mendorong sudu akan disalurkan keluar Turbin Francis melalui saluran buangan dari rumah turbin (casing).
Dari uraian diatas, jelas bahwa penggunaan turbin francis dapat mengubah energi potensial fluida menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Selanjutnya daya poros ini akan diteruskan oleh suatu sistem transmisi (dalam hal ini digunakan transmisi sabuk) ke generator dan diubah menjadi energi listrik.
3.2. Pemasangan Turbin Francis
Gambar 3.1. Turbin Francis
3.3. Rancang Bangun Instalasi
Rancang bangun instalasi pemipaan Turbin Francis terdapat pada lantai dua. Ketinggian instalasi yang terdapat pada lantai dua adalah 9,29 meter. Panjang pipa, diukur dari lantai tiga ke Turbin Francis adalah 9,86 meter. Adapun tujuan rancang bangun instalasi pipa adalah sebagai bentuk simulasi dari suatu aliran sungai atau aliran air terjun dengan ketinggian H.
3.4. Peralatan Pengujian
Hand Tachometer
Alat ini digunakan untuk mengukur putaran (rpm) poros turbin francis dan poros generator. Dalam uji eksperimental turbin francis pada head 9,29 meter ini,
hand tachometer yang digunakan adalah Krisbow KW06-303 dengan spesifikasi : Ketelitian (akurasi) : ± 0,05% + 1 digit
Range : autorange
Sampling time : 0,8 s (over 60 rpm)
Gambar 3.3. Hand Tachometer
Clamp Meter
Clamp Meter digunakan untuk mengukur besarnya arus listrik (ampere) yang dihasilkan melalui rangkaian listrik (beban) dengan cara membuat rangkaian tertutup. Clamp Meter yang digunakan adalah Krisbow KW06-286 dengan
spesifikasi :
Tabel 3.1. Spesifikasi Clam Meter
Fungsi Jangkauan Akurasi
Arus AC
2000 AAC ± (2.5 % + 10 digits)
20.00 AAC
Gambar 3.4. Clamp Meter
Multi Meter
Multimeter digunakan untuk mengukur besarnya tegangan listrik (volt) yang dibangkitkan oleh dinamo dengan cara dihubungkan paralel pada rangkaian listrisk. multimeter yang digunakan adalah tipe fluke 15B digital multimeter dengan spesifikasi:
Range :
DC voltage : 0, 0.2, 2, 20, 200, 1000 V AC voltage : 0, 200, 750 V
DC current : 0 µA, 200 µA, 2 mA, 20 mA, 200 mA Resistance : β00 Ω, β kΩ, β0 kΩ, β00 kΩ, β000 kΩ
Meteran
Meteran digunakan untuk mengukur panjang dalam instalasi pipa, instalasi dudukanflow meter, dan mengukur tinggi permukaan air pada tempat penampungan atas (TPA) dan tempat penampungan bawah (TPB).
Gambar 3.6. Meteran
3.5. Generator
Generator listrik adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber energi mekanik berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Generator yang digunakan dalam uji eksperimental turbin francis dengan menggunakan PAT mempunyai spesifikasi dengan putaran (n) 1500 rpm dan daya (P) 3 kW.
3.6. Flow Meter
Flow meter adalah alat yang digunakan untuk mengetahui adanya suatu aliran matrial ( liquid, gas, powder ) dalam suatu jalur aliran, dengan segala aspek aliran itu sendiri yaitu kecepatan aliran atau flow rate dan total massa atau volume dari matrial yang mengalair dalam jangka waktu tertentu atau sering disebut dengan istilah totalizer. Dengan diketahuniya parameter dari aliran suatu matrial oleh alat ukur flow meter yang dikirim berupa data angka dapat juga diteruskan guna menghasilkan aliran listrik atau sinyal yang bisa digunakan sebagai input pada control atau rangkaian electric lainnya
Ada beberapa manfaat flow meter :
1. Untuk kebutuhan proses Produksi Dengan diketahui besarnya flow rate dari suatu aliran oleh flow meter dapat membantu proses yang berhubungan dengan variabel kecepatan aliran guna memberikan sinyal atau kontrol atau switch yang bermanfaat untuk mempermudah proses produksi atau research maupun menjaga stabilitas quality dari hasil produksi.
2. Untuk pengukuran massa atau volume suatu fluida yang mungkin berhubungan dengan transaksi penjualan ataupun packaging agar didapatkan volume yang konstan atau sesuai dengan ketentuan
3. Untuk dunia transportasi dan heavy equipment flow meter mempunyai 2 keuntungan yaitu untuk mencegah adanya pemborosan pengunaan bahan bakar yang digunakan oleh engine /diesel/genset/boiler yang disebabkan oleh pencurian atau guna mengecek efisiensi dan kwalitas dari engine / boiler/ genset.
Gambar 3.8. Flow Meter
3.7. Pompa Pengumpan
Pompa ini digunakan untuk mengumpankan air dari tempat penampungan bawah (TPB) ke tempat penampungan atas TPA). Dalam uji eksperimental turbin francis ini, pompa pengumpan yang digunakan adalah pompa sentrifugal 6 (enam) inchi dengan daya motor penggerak (P) 5,5 kW, putaran (n) 1440 rpm dan dihubungkan secara direct drive.
3.8. Pelaksanaan Pengujian
Uji eksperimental turbin francis dilakukan di Laboratorium Mesin Fluida, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Pengukuran-pengukuran yang dilakukan tehadap penelitian ini meliputi:
1. Pengukuran tegangan listrik (volt) dengan menggunakan Multimeter.
2. Pengukuran arus listrik (ampere) dengan menggunakan Clamp Meter.
3. Pengukuran putaran (rpm) poros turbin francis dengan menggunakan Hand
Tachometer.
4. Pengukuran debit air dengan menggunakan stopwatch.
Sebelum dilakukan pengujian turbin pelton dan pengambilan data, terlebih dahulu dilakukan pemeriksaan (checking) terhadap beberapa instalasi dan peralatan, yang meliputi :
1. Pemeriksaan debit air di dalam tempat penampungan bawah (TPB) dan debit air di dalam tempat penampungan atas (TPA).
2. Pemeriksaan pipa penghubung antara TPB dan TPA, serta membuka keran pengatur (gate valve) kapasitas air pada pompa pengumpan.
3. Pemeriksaan katup (valve) untuk pengujian lantai dua atau lantai tiga. 4. Pemeriksaan katup pada turbin francis.
5. Pemeriksaan instalasi lampu sebagai beban.
6. Pemeriksaan poros turbin francis dan poros generator serta pemperian pelumas pada bearing.
7. Pemeriksaan V-Belt dan sistem transmisi puli. 8. Pemeriksaan generator.
Setelah prosedur pemeriksaan terhadap beberapa instalasi dan peralatan di atas selesai dilakukan dan pemeriksaan dipastikan dalam kondisi standby, maka prosedur pengujian pun dapat dimulai. Adapun prosedur pengujian uji eksperimental Turbin Francis adalah sebagai berikut :
1. Pengujian dilakukan dengan variasi bukaan sudu pengeaah 20%, 40% ,60%, 80%, sampai 100%
3. Sebelum pompa pengumpan dihidupkan, terlebih dahulu keran pengatur
(gate valve) dibuka supaya umur pemakaian pompa pengumpan lebih lama.
4. Dilakukan monitoring terhadap ketinggian air di dalam TPA sesuai dengan data pengujian yang dibutuhkan.
5. Setelah ketinggian air di TPA dan aliran air pada pipa pengumpan konstan, maka dilakukan pengujian serta pengambilan data terhadap:
a. Pengukuran tegangan listrik (volt) dengan Multimeter
b. Pengukuran arus listrik (ampere) dengan Clamp Meter
c. Pengukuran putaran pada poros Turbin Pelton dan poros generator dengan Hand Tachometer
d. Pengukuran di atas dilakukan terhadap beban (bola lampu) 100 W 6. Melakukan kembali pengujian seperti prosedur pengujian sebelumnya
sampai ke bukaan sudu pengarah 100%.
7. Melakukan kembali pengukuran seperti prosedur pengujian sebelumnya berulang-ulang sebanyak lima kali untuk mendapatkan data pengujian yang lebih akurat.
8. Besaran-besaran yang diukur dan dicatat meliputi:
a. Angka penunjukan flowmeter (m3) awal dan akhir selama selang waktu 60 detik.
b. Tegangan listrik yang dihasilkan generator (V). c. Arus listrik yang melalui rangkaian (A).
d. Putaran poros Turbin Francis (rpm).
Dari besaran-besaran di atas dapat dihitung besaran turunan lainnya seperti:
a. Kapasitas aliran air. b. Daya air.
c. Daya listrik yang di hasilkan.
FLOWCHART PENGARUH BUKAAN SUDU PENGARAH TERHADAP
KARAKTERISTIK TURBIN FRANCIS HORIZONTAL DENGAN
KETINGGIAN AIR JATUH 9,29 METER
Survey tempat pengujian akan dilakukan
Rancang bangun instalasi dan Uji eksperimental turbin francis pada head
9,29 meter
Pengambilan data hasil pengujian Pelaksanaan pengujian
Perhitungan dan analisa hasil
pengujian
Penulisan laporan hasil pengujian
BAB IV
HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA DATA
4.1. Pendahuluan
Penelitian ini memodelkan bentuk fisik sistem instalasi turbin francis yang dilengkapi instalasi listrik, generator, sistem transmisi puli, bak penampung air, sistem perpipaan, dan flowmeter air. Instalasi turbin francis ini dikerjakan sedemikian rupa sehingga dapat beroprasi secara optimal.
Pengambilan data dari pengujian berdasarkan variasi bukaan sudu pengarah mulai dari 20%, 40%, 60%, 80%, hingga 100% dengan ketinggian air jatuh sebesar 9.29 m.
Setelah melakukan pengujian sistem tersebut, maka didapatkan data-data hasil pengujian antara lain putaran turbin, putaran generator, angka penunjuk flowmeter air, tegangan listrik, serta kuat arus yang dihasilkan yang kemudian dianalisa guna mengetahui kapasitas aktual aliran, head efektif, serta efisiensi sistem instalasi turbin francis tersebut.
4.2. Kapasitas Aktual Aliran Air
Kapasitas aktual aliran air (Q) didapat dari pembagian selisih penunjukan flowmeter dengan selang waktu pengukuran yang dapat ditulis dengan persamaan berikut.
Q=
Tabel 4.1 Kapasitas Aliran Air
4.3. Head Efektif Intalasi Turbin Francis
Head efektif pada instalasi turbin francis dihitung dengan mengurangi head total dari ketinggian pipa sumber air yaitu setinggi 9.29 m dengan head losses yang ada pada instalasi.
Head losses yaitu kerugian energi persatuan berat fluida dalam pengaliran cairan dalam sistem perpipaan.Head losses dibedakan menjadi 2 yaitu head losses mayor dan head losses minor.
a.Head Losses Mayor
Head losses mayor dihitung sesuai persamaan umum Hazen Williams berikut ini.
Dimana :
= head losses mayor
d = diameter pipa (m) L = panjang pipa (m)
Pipa saluran yang digunakan adalah pipa pvc dengan ukuran 4”, dan 6”
dengan perincian sebagai berikut: Pipa 4 inci sepanjang 9.24 m Pipa 6 inci sepanjang 2.76 m
Dari hasil perhitungan dengan menggunakan persamaan umum Hazen Williams di atas, maka didapatlah head losses mayor yang terjadi di sepanjang pipa saluran berikut ini:
Tabel 4.2. Head Lossed Mayor
Bukaan sudu pengarah
(m3)
pipa 4”
(m)
pipa 6”
(m)
Gambar 4.1. Saluran Pipa
a. Head Losses Minor
Head losses minor dihitung berdasarkan banyaknya sambungan di sepanjang saluran pipa instalasi turbin francis. Head losses minor dihitung dengan persamaan berikut:
k= koefisien minor losses v= kecepatan aliran air ( )
g= percepatan gravitasi 9.81 m/detik2
Setelah dihitung maka didapat kecepatan aliran air pada pipa saluran seperti terlihat pada tabel berikut ini.
Tabel 4.3. Kecepatan Aliran Air Pada Pipa Saluran
Bukaan sudu pengarah
Q (m3/detik)
v pada pipa 4”
(m/detik)
v pada pipa 6”
(m/detik)
20% 0.01 1.23 0.55
60% 0.01167 1.44 0.64 80% 0.01217 1.50 0.67
100% 0.0125 1.54 0.69
Dari tabel di atas dapat diketahui bahwa kecepatan aliran air berbeda beda pada bagian pipa yang berbeda dengan kapasitas aliran yang sama. Semakin besar pipa saluran maka kecepatan aliran semakin kecil.
Setelah diketahui kecepatan aliran air pada saluran pipa, kemudian dihitunglah koefisien minor losses total yang terjadi pada saluran pipa
Berikut ini adalah tabel koefisien minor losses yang terjadi pada masing-masing pipa.
Tabel 4.4. Koefisien Minor Losses Pada Pipa 4 Inchi
Nama Jumlah k
Sisi masuk 1 0.25 0.25
Elbow 90 2 0.4 0.8
Tee 2 2.0 4.0
valve 1 0.05 0.05
flowmeter 1 7 7
reducer 4” x 6” 1 0.11 0.11
Tabel 4.5. Koefisien Minor Losses Pada Pipa 6 Inchi
Nama Jumlah k
Tee 1 2.0 2.0
Elbow 90 1 0.4 0.4
Sisi keluar pipa 1 1.0 1.0
Total Koefisien losses minor pada pipa 6” 3.4
Maka head losses minor yang terjadi pada pipa saluran dapat dilihat pada tabel berikut.
Tabel 4.6. Head Losses Minor
Bukaan sudu pengarah
Q (m3) 4” (m) 6” (m) total (m)
20% 0.01 0.94 0.05 0.99 40% 0.01083 1.11 0.06 1.17 60% 0.01167 1.29 0.07 1.36 80% 0.01217 1.40 0.08 1.47 100% 0.0125 1.47 0.08 1.55
Tabel 4.7. Head Efektif
Bukaan sudu pengarah Head total (m)
Daya air dihitung dengan persamaan berikut ini:
Dimana
Q = kapasitas aliran m3/detik
g= percepatan gravitasi 9.81 m2/detik adalah massa jenis air sebesar 1000kg/m3
Dari hasil perhitungan dengan menggunakan persamaan di atas maka diperoleh daya air yang bekerja pada turbin francis seperti yang terdapat pada tabel dibawah
60% 0.012 7.71 883.10
80% 0.012 7.58 904.91
100% 0.013 7.49 918.15
4.5. Daya Listrik
Daya listrik merupakan daya keluaran dari sistem instalasi yang dihitung sesuai persamaan berikut:
= V x I
Dengan V dan I masing-masing adalah voltase dan kuat arus yang di ukur dengan menggunakan multimeter dan clamp meter selama tahap pengujian dimana pembebanan sebesar 200 watt .
Dari hasil pengujian dan analisa perhitungan dengan persamaan di atas maka daya listrik yang dihasilkan oleh sistem adalah sebagai berikut.
4.6. Efisiensi Sistem
Merupakan perbandingan daya keluaran dengan daya air. Efisiensi sistem dihitung sesuai persamaan dibawah ini.
η sistem = x 100%
Dari perhitungan dengan menggunakan persamaan di atas maka di peroleh efisiensi sistem dalam tabel di bawah ini.
Tabel 4.10. Efisiensi Sistem
Bukaan sudu pengarah
Q (m3) Daya air (Watt)
Daya listrik (Watt)
4.7. Grafik Hasil Pengujian
1. Grafik hubungan kapasitas aliran dengan daya air
720
Gambar 4.2. grafik Q vs Pair
Gambar 4.2 menunjukkan perbandingan antara kapasitas aliran dengan daya air teoritis dimana semakin besar kapasitas aliran Q maka semakin besar pula daya air teoritisnya Hal ini sesuai dengan persamaan PQ . .g .H . dimana daya P berbanding lurus dengan kapasitas aliran.
2. Grafik hubungan antara bukaan sudu pengarah dengan putaran turbin
0
Gambar 4.3 menunjukkan hubungan perbandingan antara besar bukaan sudu pengarah mulai dari 20% sampai 100% dengan putaran Turbin Francis dimana putaran Turbin Francis maksimum terjadi pada bukaan sudu pengarah 20% dan mengalami penurunan pada bukaan sudu pengarah 40% hingga 100%. Hal ini menunjukkan bahwa kondisi kerja optimal sistem instalasi Turbin Francis yaitu pada bukaan sudu pengarah 20% dimana putaran poros Turbin Francis mencapai 310 rpm . Penurunan putaran turbin yang terjadi diakibatkan oleh hilangnya tekanan air karena kapasitas air tidak optimal pada bukaan sudu pengarah 40% sampai 100% serta banyaknya losses pada instalasi yaitu karena banyaknya sambungan pipa ( elbow, reducer, tee, valve, dan flowmeter).
3.Grafik hubungan antara bukaan sudu pengarah dengan daya listrik
0
Gambar 4.4. Grafik bukaan sudu pengarah vs Plistrik
