RANCANGAN NOSEL DENGAN KATUP PENGATURAN DEBIT AIR PENGGERAK TURBIN OSSBEGER
DAYA TURBIN = 2,6 KW HEAD = 12 METER
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana
H E R D Y NIM : 050401060
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
RANCANGAN NOSEL DENGAN KATUP PENGATURAN DEBIT AIR PENGGERAK TURBIN OSSBEGER
DAYA TURBIN = 2,6 KW HEAD = 12 METER
H E R D Y NIM : 050401060
Diketahui / Disahkan: Disetujui:
Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing,
Fakultas Teknik USU
Ketua,
Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri Ir. Isril Amir
NIP. 196412241992111001 NIP.
RANCANGAN NOSEL DENGAN KATUP PENGATURAN DEBIT AIR PENGGERAK TURBIN OSSBEGER
DAYA TURBIN = 2,6 KW HEAD = 12 METER
H E R D Y NIM. 050401060
Telah Disetujui Dari Hasil Seminar Tugas Akhir Periode ke-569, pada Tanggal 20 Maret 2010
Pembanding I :
Ir.Mulfi Hazwi, Msc NIP. 194910121981031002
Pembanding II :
RANCANGAN NOSEL DENGAN KATUP PENGATURAN DEBIT AIR PENGGERAK TURBIN OSSBEGER
DAYA TURBIN = 2,6 KW HEAD = 12 METER
H E R D Y NIM. 050401060
Telah Diketahui Oleh: Pembimbing/Penguji
Ir. Isril Amir
NIP. 194510271974121001
Diketahui Oleh:
Ketua Departemen Teknik Mesin
Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri NIP.1964 1224 1992 111001 Pembanding I
Ir.Mulfi Hazwi, Msc NIP. 194910121981031002
Pembanding II
TUGAS SARJANA
NAMA : HERDY
NIM : 05 0401 060
MATA PELAJARAN : MESIN FLUIDA
SPESIFIKASI : Rancangan nosel dengan katup pengaturan debit
air penggerak turbin ossberger. Daya Turbin = 2,6
kW. Head = 12 meter.
DIBERIKAN TANGGAL : 14 / November / 2009 SELESAI TANGGAL : 05/ Maret / 2010
MEDAN, 14 November 2009 KETUA DEPT. TEKNIK MESIN DOSEN PEMBIMBING,
Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri Ir. Isril Amir
KARTU BIMBINGAN
TUGAS SARJANA MAHASISWA
No : 915/ TS/ 2007Sub. Program Studi : Konversi Energi. Bidang Tugas : Mesin Fluida.
Judul Tugas : Rancangan nosel dengan katup pengaturan debit air penggerak turbin ossberger. Daya Turbin = 2 kW, head = 12 meter.
Diberikan Tanggal : 14 November 2009 Selesai Tanggal : 5 Maret 2010 Dosen Pembimbing : Ir.Isril Amir Nama Mahasiswa : HERDY NIM : 05 0401 060
CATATAN : diketahui,
1. Kartu ini harus diperlihatkan kepada dosen Ketua Departemen Teknik Mesin pembimbing setiap asistensi. F.T U.S.U
2. Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi. 3. Kartu ini harus dikembalikan kejurusan,
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas
berkat dan anugrah-Nya yang telah diberikan kepada penulis, sehingga penulis
dapat menyelesaikan tugas sarjana ini tepat pada waktunya.
Tugas sarjana ini merupakan salah satu persyaratan guna menyelesaikan
pendidikan pada Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas
Sumatera Utara. Adapun judul Tugas Sarjana ini adalah “Rancangan nosel
dengan katup pengaturan debit air penggerak turbin ossberger ; Daya Turbin = 2,6 kW, head = 12 meter.”
Dalam mengerjakan tugas sarjana ini, penulis mendapat bantuan dan
dukungan berupa materil dan spiritual yang diberikan oleh berbagai pihak, oleh
karena itu pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih setulus –
tulusnya kepada :
1. Orang tuaku yang menjadi teladan dan panutanku, yang selalu
memotivasi dan memberi semangat bagi penulis.
2. Bapak Ir. Isril Amir, selaku Dosen Pembimbing Tugas Sarjana yang
telah banyak memberikan arahan, bimbingan, dan nasehat serta telah
banyak meluangkan waktunya membimbing penulis dalam
menyelesaikan Tugas Sarjana ini.
3. Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik
4. Bapak Ir. Tulus B Sitorus, ST, MT, selaku Sekretaris Jurusan
Departemen Teknik Mesin-Fakultas Teknik Universitas Sumatera
Utara.
5. Bapak / Ibu Staf Pengajar pada Departemen Teknik Mesin Fakultas
Teknik Universitas Sumatera Utara.
6. Seluruh Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan pelayanan terbaik
dalam akademis ataupun non-akademis (Bu Is, Kak Sonta, Bang
Syawal, Bang Fauzi, dan semua yang turut membantu saya).
7. Seluruh Asisten Laboratorium Pada Departemen Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
8. Mbak Melani, Mbak Ari dan Bang Sidik atas kemurahan hatinya selalu
siap membantu penulis dalam penyelesaian tugas akhir ini di gedung
S2 Teknik Mesin USU.
9. Rekan-rekan saya mahasiswa Mesin USU khususnys stambuk 2005.
10.Buat semua pihak yang ikut membantu penulis dalam menyelesaikan
turbin air yang tidak dapat disebutkan oleh penulis satu persatu.
Terimakasih saya ucapkan atas perhatian dan dukungan dari semua
pihak sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini.
Medan, 14 November 2009
Penulis,
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL………..………i
LEMBAR PENGESAHAN………..……….ii
LEMBAR PERSETUJUAN SEMINAR……….iii
SPESIFIKASI TUGAS...v
LEMBAR EVALUASI…………...vi
KATA PENGANTAR...x
DAFTAR ISI ...xii
DAFTAR GAMBAR ...xv
DAFTAR GRAFIK………....xvii
DAFTAR SIMBOL...xviii
AKSARA YUNANI...xx
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang...1
1.2 Tujuan Perencanaan...2
1.3 Batasan Masalah...3
1.4 Metodologi Penulisan...4
1.5 Sistematika Penulisan...4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Tinjauan Umum...5
2.2 Klasifikasi Turbin Air ...8
2.2.1 Turbin Impuls ...8
2.3 Perbandingan Karakteristik Turbin...15
2.4 Kecepatan Spesifik Turbin...17
2.5 Pemeliharaan (Maintenance)...19
2.6 Pengaruh Pada Lingkungan...19
2.7 Turbin Aliran Silang...20
2.8 Pengertian Nosel dan Diffuser...22
2.9 Posisi Penyemburan Terhadap Sumbu Roda Jalan....23
2.10 Katup...25
2.11 Lengkung Masuk...26
2.12 Diameter Dan Lebar Raner...29
BAB III METODOLOGI PERANCANGAN 3.1 Tempat Dan Waktu...33
3.2 Bahan Dan Alat...34
3.3 Pengamatan Dan Pengujian...35
BAB IV PERHITUNGAN KOMPONEN – KOMPONEN UTAMA TURBIN AIR 4.1 Pipa penstock...40
4.2 Daya Turbin...40
4.3 Putaran Spesifik Turbin...41
4.4 Generator...42
4.5 Diameter Luar Raner...43
4.6 Kecepatan Relatif Pada Sisi Masuk...44
4.7 Kecepatan Relatif Pada Sisi Keluar...44
4.9 Sudut Kecepatan Mutlak Sisi Keluar ...45
4.10 Kecepatan Absolut Fluida Pada Sisi Keluar...45
BAB V PERHITUNGAN NOSEL 5.1 Panjang Busur pemasukan dan lebar pipa pancar...47
5.2 Segitiga Kecepatan...49
5.3 Energi pada sudu – sudu raner turbin...51
BAB VI KESIMPULAN 6.1 Turbin Air...53
6.2 Generator...54
6.3 Pipa Penstock ...54
6.4 Sudu Jalan (Raner)...54
6.5 Perhitungan Nosel...54
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Instalasi secara keseluruhan………..….….3
Gambar 2.1 Sketsa tinggi head...6
Gambar 2.2 Turbin Pelton………..9
Gambar 2.3 Turbin Pelton dengan banyak nozle………9
Gambar 2.4 Sudu turbin turgo dan nozzle……….10
Gambar 2.5 Konstruksi turbin ossberger atau turbin crossflow……….11
Gambar 2.6 Aliran masuk turbin ossberger atau turbin crossflow………….12
Gambar 2.7 Turbin Francis...13
Gambar 2.8 Turbin Kaplan dengan sudu jalan yang dapat diatur…………..14
Gambar 2.9 Diagram klasifikasi turbin air……….15
Gambar 2.10 Perbandingan bentuk sudu turbin berdasarkan kec. Spesifik...18
Gambar 2.11 Turbin Aliran Silang Jenis Vertical...21
Gambar 2.12 Turbin Aliran Silang Jenis Horizontal...22
Gambar 2.13 Posisi Penyemburan Vertical...24
Gambar 2.14 Posisi Penyemburan Horizontal...24
Gambar 2.15 Posisi Penyemburan Miring...25
Gambar 2.16 Posisi katup pada nosel turbin air aliran silang……….25
Gambar 2.17 Aneka Penampang Aliran Di Sisi Masuk Turbin...26
Gambar 2.18 Pola Aliran Masuk Turbin...27
Gambar 2.19 Lengkung Pemasukan Ideal Bersudut Konstan...28
Gambar 2.20 Rancangan Spiral Logaritmik Pemasukan Geometri Sudu…...29
Gambar 3.1 Pressure Gauge...35
Gambar 3.2 Tachometer...36
Gambar 3.3 Tangmeter...36
Gambar 3.4 Sketsa instalasi turbin aliran silang……..………..37
Gambar 3.5 Resevoar bawah...38
Gambar 3.6 Resevoar atas...38
Gambar 3.7 Rumah Turbin...39
Gambar 5.1 Penampang samping dari nosel………...47
Gambar 5.2 Luasan pemancaran air pada nosel turbin air aliran silang…….47
Gambar 5.3 Segitiga kecepatan dan rumus turbin aliran silang………..49
DAFTAR GRAFIK
DAFTAR SIMBOL
Simbol
Arti
Satuan
A
: Luas penampang
m
2D
: Diameter
mm
D
(1,2): Diameter pada roda jalan
mm
D
pen: Diameter penstock
mm
a
: Lebar sudu
mm
f
: Frekuensi
Hz
g
: Percepatan gravitasi
m/s
2H
: Tinggi air jatuh
m
L
: - Panjang busur pemasukan
m
t
: Jarak antar sudu
mm
n
: Putaran operasi
rpm
n
generator: Putaran generator
rpm
n
s: Putaran spesifik
rpm
n
t: Putaran turbin
rpm
P
: Daya
Watt
P
t: Daya turbin
Watt
P
g: Daya generator
Watt
p
: Jumlah kutub generator
t
s: Tebal sudu
mm
u
: Kecepatan keliling / tangensial
m/s
c
: Kecepatan absolut
m/s
w
: Kec. relatif fluida terhadap roda jalan
m/s
AKSARA YUNANI
LAMBANG
Arti
Satuan
α
(alpha)
Sudut kecepatan mutlak
0(derajat)
β
(betta)
Sudut sudu
0(derajat)
η
Efisiensi
γ
(gamma)
Berat jenis
N/m
3φ
(phi)
Sudut busur pemasukan
0(derajat)
ϕ
(phi)
Koefisien generator
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Sekarang ini konsumsi energi berhubungan langsung dengan tingkat
kehidupan penduduk serta derajat industrisasi suatu negara. Salah satu bentuk
energi yang paling banyak digunakan manusia dalam kehidupan sehari-hari
adalah energi listrik, sebab energi ini dapat dengan mudah dan efisien
dikonversikan menjadi bentuk energi yang lain.
Turbin air dikembangkan pada abad ke-19 dan digunakan secara luas
untuk tenaga industri untuk jaringan listrik. Sekarang lebih umum dipakai untuk
generator listrik. Turbin kini dimanfaatkan secara luas dan merupakan sumber
energi yang dapat diperbarui. Kata ‘Turbin’ diambil dari terjemahan bahasa latin
dari kata ‘Whirling’ (putaran) atau ‘vortex’ (pusaran air). Perbedaan dasar antara
turbin air dengan kincir air adalah komponen putaran air yang memberikan energi
pada poros yang berputar. Komponen tambahan ini memungkinkan turbin dapat
memberikan daya yang lebih besar dengan komponen yang lebih kecil. Turbin
dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih cepat dan dapat memanfaatkan head
yang lebih tinggi.
Pada umumnya turbin air dioperasikan secara kontinu dalam jangka waktu
yang lama. Masalah – masalah pada turbin air yang akan berujung pada
berkurangnya efisiensi dan performasi harus bisa di deteksi dan di monitor selama
beroperasi. Performansi dari turbin dipengaruhi oleh berbagai faktor yaitu :
bekerja selama turbin air itu beroperasi. Turbin air akan mengubah energi kinetik
air menjadi energi mekanik, yaitu : putaran roda turbin (sudu). Pada kondisi
aktual, tidak semua energi potensial air dapat diubah menjadi energi mekanik
pada turbin, pasti dalam proses perubahan terdapat kerugian – kerugian. Dari hal
tersebut dapat didefinisikan efisiensi dari turbin yaitu : perbandingan daya pada
turbin dengan daya air pada reservoir. Air dari reservoir akan mengalir dengan
kapasitas tertentu dalam saluran pipa yang menuju turbin. Pada turbin air terdapat
pengaturan kapasitas untuk memvariasikan kapasitas aliran. Pengaturan kapasitas
aliran masuk ke turbin dimaksudkan untuk merespon beban.
1.2. Tujuan Perencanaan
Tujuan dari perancangan ini adalah untuk memenuhi syarat memperoleh
gelar Strata 1 dari Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
Sedangkan tujuan umum perancangan ini adalah :
a. Untuk lebih mengetahui dan memahami aplikasi ilmu yang diperoleh di
bangku kuliah terutama mata kuliah Mekanika Fluida dan Mesin Fluida.
b. Untuk merancang luasan pemancaran air pada nosel dari suatu jaringan
pembangkit listrik dengan tenaga air, dimana air dipompakan dari
reservoir satu ke reservoir lain dengan head statis 12 meter.
c. Untuk membuat rancang bangun sistem aliran air terjun buatan. Adapun
gambar instalasi sistem aliran air terjun buatan yang dirancang dapat
Gambar 1.1 instalasi secara keseluruhan.
1.3. Batasan Masalah
Untuk mendapatkan suatu hasil perencanaan yang baik, maka dalam hal
ini akan dibuat suatu batasan masalah karena semakin spesifik suatu perencanaan
maka hasilnya juga akan lebih baik. Pada perancangan ini akan dibahas megenai
perancangan luas pancaran aliran air dari nosel dengan katup pengaturan debit air
Dimana data – data lain yang diperlukan didapat dari hasil survey langsung di
lapangan.
1.4. Metodologi penulisan
Adapun Metode yang digunakan dalam penulisan Tugas Sarjana ini adalah
sebagai berikut :
(1) Survey lapangan, berupa peninjauan langsung ke tempat tujuan perencanaan
yang dilakukan, dalam hal ini survey dilakukan pada laboratorium
departemen teknik mesin USU.
(2) Studi literature, berupa studi kepustakaan, kajian-kajian dari buku (teks
book) dan tulisan yang terkait dengan perencanaan ini.
(3) Diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing yang telah ditunjuk
oleh Departemen Teknik Mesin, mengenai masalah-masalah yang timbul
selama penyusunan Tugas Sarjana.
1.5. Sistematika Penulisan
Adapun sistematika penulisan dalam tugas sarjana ini adalah : Bab I yang
memuat latar belakang, tujuan perencanaan, batasan masalah, metodologi
penulisan dan sistematika penulisan.tugas sarjana ini. Pada bab II memuat tentang
landasan teori yang memuat konsep dasar tentang turbin air dan nosel. Bab III
memuat tentang metodologi perancangan. Bab IV memuat tentang perhitungan
komponen – komponen utama turbin air. Bab V memuat tentang perhitungan
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Tinjauan Umum
Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat,
karena pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik
(pada air mengalir). Tenaga air (Hydropower) adalah energi yang diperoleh dari
air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan
dalam wujud energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air
banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang
memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran air di sungai. Sejak awal abad
18 kincir air banyak dimanfaatkan sebagai penggerak penggilingan gandum,
penggergajian kayu dan mesin tekstil. Memasuki abad 19 turbin air mulai
dikembangkan.
Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada
besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head
adalah beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar
Gambar 2.1 Sketsa tinggi head.
Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi
potensial air yaitu :
mgh
E
=
………(2.1)dengan
m adalah massa air
h adalah head (m)
g adalah percepatan gravitasi
2
s
m
Daya merupakan energi tiap satuan waktu
t
E
, sehingga persamaan (2.1) dapat
dinyatakan sebagai :
gh t m t E
= (literatur 9)
Dengan mensubsitusikan P terhadap
t
E
dan mensubsitusikan
ρ
Q
terhadap
t
m
maka :Qgh
P
=
ρ
………(2.2)dengan
P adalah daya (watt)
Q adalah kapasitas aliran
s
m
3ρ
adalah massa jenis air
3m
kg
Selain memanfaatkan air jatuh hydropower dapat diperoleh dari aliran air datar.
Dalam hal ini energi yang tersedia merupakan energi kinetik yaitu :
2
2
1
mv
E
=
………(2.3)dengan
v adalah kecepatan aliran air
s
m
Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut :
2
2
1
Qv
P
=
ρ
………(2.4)3
2
1
Av
P
=
ρ
………(2.5)dengan
A adalah luas penampang aliran air
( )
m
2 2.2 Klasifikasi Turbin AirTurbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Energi
mekanis diubah dengan generator listrik menjadi tenaga listrik. Berdasarkan
prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis,
turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi.
2.2.1 Turbin Impuls
Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozle. Air keluar
nozle yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah
membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan
momentum (impulse). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah
turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah
sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan
tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan.
Adapun jenis – jenis turbin impuls adalah sebagai berikut :
1) Turbin Pelton.
Turbin pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri dari satu set
sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih
paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head
tinggi.
Gambar 2.2 Turbin Pelton.
Sumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf
Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk
sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah-tengah sudu dan
pancaran air tersebut akan berbelok ke kedua arah sehinga bisa membalikkan
pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping. Untuk
turbin dengan daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi lewat beberapa
nosel. Dengan demikian diameter pancaran air bisa diperkecil dan ember sudu
lebih kecil.
Gambar 2.3 Turbin Pelton dengan banyak nozle.
Sumber.
Turbin Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150
2) Turbin Turgo.
Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin
pelton turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda. Pancaran
air dari nozle membentur sudu pada sudut 20 o. Kecepatan putar turbin turgo lebih
besar dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin
ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya
perawatan.
Gambar 2.4 Sudu turbin turgo dan nozzle.
Sumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf
3) Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow (Turbin Michell-Banki).
Pada turbin impuls pelton beroperasi pada head relatif tinggi, sehingga
pada head yang rendah operasinya kurang efektif atau efisiensinya rendah. Karena
alasan tersebut, turbin pelton jarang dipakai secara luas untuk pembangkit listrik
skala kecil. Sebagai alternatif turbin jenis impuls yang dapat beroperasi pada head
rendah adalah turbin crossflow atau turbin impuls aliran ossberger. Turbin
crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 litres/sec hingga 10 m3/sec dan head
antara 1 s/d 200 m. Komponen – komponen utama konstruksi turbin crossflow
1. Rumah Turbin.
2. Alat Pengarah (distributor).
3. Roda Jalan.
4. Penutup.
5. Katup Udara.
6. Pipa Hisap.
7. Bagian Peralihan.
Aliran air dilewatkan melalui sudu sudu jalan yang berbentuk silinder, kemudian
aliran air dari dalam silinder ke luar melalui sudu-sudu. Jadi perubahan energi
aliran air menjadi energi mekanik putar terjadi dua kali yaitu pada waktu air
masuk silinder dan air keluar silinder. Energi yang diperoleh dari tahap kedua
adalah 20%nya dari tahap pertama.
Gambar 2.5 Konstruksi turbin ossberger atau turbin crossflow.
Sumber:
Air yang masuk sudu diarahkan oleh alat pengarah yang sekaligus berfungsi
sebagai nosel seperti pada turbin pelton. Prinsip perubahan energi adalah sama
dengan turbin impuls pelton yaitu energi kinetik dari pengarah dikenakan pada
panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. 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 paralel.
Gambar 2.6 Aliran masuk turbin ossberger atau turbin crossflow.
Sumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf
2.2.2 Turbin Reaksi
Sudu pada turbin reaksi 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. Proses ekspansi fluida kerja pada turbin reaksi terjadi pada sudu
tetap dan sudu geraknya. Air mengalir memasuki roda turbin melalui sudu - sudu
pengarah dengan tekanan yang tinggi. Pada saat air yang bertekanan tersebut
mengalir kesekeliling sudu - sudu, runner turbin akan berputar penuh. Energi yang
tersebut telah diubah menjadi energi mekanis oleh roda turbin. Dilihat dari
konstruksinya, turbin reaksi ada dua jenis:
1. Turbin Francis.
Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang
diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di
bagian keluar. 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
[image:30.595.217.399.365.532.2]penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang tepat.
Gambar 2.7 Turbin Francis
Sumber.
2. Turbin Kaplan.
Tidak berbeda dengan turbin francis, turbin kaplan cara kerjanya
menggunakan prinsip reaksi. Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan
baling-baling pesawat terbang. Bila baling-baling pesawat terbang berfungsi
untuk menghasilkan gaya dorong, roda jalan pada kaplan berfungsi untuk
turbin. Berbeda dengan roda jalan pada francis, sudu-sudu pada roda jalan kaplan
dapat diputar posisinya untuk menyesuaikan kondisi beban turbin. Turbin kaplan
banyak dipakai pada instalasi pembangkit listrk tenaga air sungai, karena turbin
ini mempunyai kelebihan dapat menyesuaikan head yang berubah-ubah sepanjang
tahun. Turbin Kaplan dapat beroperasi pada kecepatan tinggi sehingga ukuran
roda turbin lebih kecil dan dapat dikopel langsung dengan generator. Pada kondisi
pada beban tidak penuh turbin kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi, hal ini
dikarenakan sudu-sudu turbin kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban
[image:31.595.221.405.334.696.2]yang ada.
Gambar 2.8 Turbin Kaplan dengan sudu jalan yang dapat diatur.
Diagram klasifikasi turbin air dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 2.9 Diagram klasifikasi turbin air.
2.3 Perbandingan Karakteristik Turbin
Perbandingan karakteristik turbin dapat kita lihat pada grafik head (m) vs
[image:32.595.196.433.472.707.2]flow (m3/s) di bawah ini.
Grafik 2.1 Perbandingan karakteristik Turbin.
Sumber :
Turbin Air
Turbin impuls
Turbin reaksi
Turbin pelton
Turbin turgo
Turbin ossberger
Turbin francis
Dapat dilihat pada grafik 2.1 turbin kaplan adalah turbin yang beroperasi
pada head yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi atau bahkan beroperasi
pada kapasitas yang sangat rendah. Hal ini karena sudu – sudu turbin kaplan dapat
diatur secara manual atau otomatis untuk merspon perubahan kapasitas.
Berkebalikan dengan turbin kaplan, turbin pelton adalah turbin yang
beroperasi pada head tinggi dengan kapasitas yang rendah. Untuk turbin francis
mempunyai karakteristik yang berbeda dengan yang lainnya yaitu turbin francis
dapat beroperasi pada head yang rendah atau beroperasi pada head yang tinggi.
Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang didapatkan
dan kurang lebih pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan
untuk tempat dengan head tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat
dengan head rendah. Turbin Kaplan baik digunakan untuk semua jenis debit dan
head, efisiiensinya baik dalam segala kondisi aliran.
Turbin kecil (umumnya dibawah 10 MW) mempunyai poros horisontal,
dan kadang dipakai juga pada kapasitas turbin mencapai 100 MW. Turbin Francis
dan Kaplan besar biasanya mempunyai poros / sudu vertikal karena ini menjadi
penggunaan paling baik untuk head yang didapatkan, dan membuat instalasi
generator lebih ekonomis. Poros Pelton bisa vertikal maupun horisontal karena
ukuran turbin lebih kecil dari head yang di dapat atau tersedia. Beberapa turbin
impuls menggunakan beberapa semburan air tiap semburan untuk meningkatkan
kecepatan spesifik dan keseimbangan gaya poros.
Aplikasi penggunaan turbin berdasarkan tinggi head yang didapatkan adalah
sebagai berikut ini :
2) Turbin Francis : 5 < H < 500 meter
3) Turbin Pelton : H < 30 meter
4) Turbin Banki : 2 < H < 200 meter
2.4 Kecepatan spesifik turbin
Kecepatan spesifik (ns), menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak
berhubungan dengan ukurannya. Hal ini menyebabkan desain turbin baru yang
diubah skalanya dari desain yang sudah ada, dengan performa yang sudah
diketahui. Kecepatan spesifik merupakan kriteria utama yang menunjukkan
pemilihan jenis turbin yang tepat berdasarkan karakteristik sumber air.
Kecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan sebagai
kecepatan ideal, persamaan geometris turbin, yang menghasilkan satu satuan daya
tiap satu satuan head.
Kecepatan spesifik turbin dapat diartikan sebagai titik efisiensi
maksimum. Perhitungan tepat ini menghasilkan performa turbin dalam jangkauan
head dan debit tertentu.
Kecepatan spesifik juga merupakan titik awal dari analisis desain dari
sebuah turbin baru. Setelah kecepatan spesifik yang diinginkan diketahui, dimensi
dasar dari bagian - bagian turbin dapat dihitung dengan mudah.
Keluaran turbin dapat diperkirakan berdasarkan dari test permodelan.
Replika miniatur dari desain yang diusulkan, diameter sekitar satu kaki (0,3 m),
dapat diuji dan hasil pengukuran laboratorium dapat digunakan sebagai
Debit yang melalui turbin dikendalikan dengan katub yang besar atau
pintu gerbang yang disusun diluar sekeliling pengarah turbin. Perubahan head dan
debit dapat dilakukan dengan variasi bukaan pintu, akan menujukkan efisiensi
turbin dengan kondisi yang berubah-ubah.
Kecepatan spesifik dapat dihitung dengan menggunakan rumus :
4 3
. 65 , 3
H Q n
ns = t (literatur 6)
Dengan : nt = putaran turbin (rpm)
Q = kapasitas aliran (m3/s)
H = tinggi air jatuh (m)
g = percepatan graviatsi (m/s2)
Perbandingan bentuk sudu turbin terhadap kecepatan spesifik turbin adalah
[image:35.595.209.403.443.650.2]sebagai berikut ini :
Gambar 2.10 Perbandingan bentuk sudu turbin berdasarkan kecepatan spesifik.
Sumber : European Community's Layman's Guidebook (on how to develop a small hydro site)
sebesar 56,61 rpm, maka berdasarkan gambar 2.10 bentuk sudu turbin yang
dipilih adalah bentuk pertama.
2.5 Pemeliharaan (maintenance)
Turbin didesain untuk bekerja dalam jangka waktu puluhan tahun dengan
sangat sedikit pemeliharaan pada elemen utamanya, interval pemeriksaan total
(overhaul) dilakukan dalam jangka waktu beberapa tahun. Pemeliharaan
dilakukan pada sudu, pengarah dan part lain yang bersentuhan dengan air
termasuk pembersihan, pemeriksaan dan perbaikan part yang rusak.
Keausan umumnya terjadi pada lubang akibat kavitasi, retakan dan
pengikisan dari benda padat yang tercampur dalam air. Elemen baja diperbaiki
dengan pengelasan, umumnya dengan las stainless steel. Area yang berbahaya
dipotong atau digerinda, kemudian dilas sesuai dengan bentuk aslinya atau dengan
profil yang diperkuat. Sudu turbin tua mungkin akan mempunyai banyak
tambahan stainless steel hingga akhir penggunaannya. Prosedur pengelasan yang
rumit mungkin digunakan untuk mendapatkan kualitas perbaikan terbaik.
Elemen lainnya yang membutuhkan pemeriksaan dan perbaikan selama
pemeriksaan total yaitu : bantalan, kotak paking dan poros, motor servo, sistem
pendingin untuk bantalan dan lilitan generator, cincin seal, elemen sambungan
gerbang dan semua permukaan.
2.6 Pengaruh pada lingkungan
Turbin air mempunyai pengaruh positif dan negatif bagi lingkungan.
1) Turbin adalah salah satu penghasil tenaga terbersih, menggantikan
pembakaran bahan bakar fosil dan menghapuskan limbah nuklir.
2) Turbin menggunakan energi yang dapat diperbarui dan didesain untuk
beroperasi dalam jangka waktu puluhan tahun.
3) Turbin memproduksi sumber energi listrik dunia dengan jumlah yang besar.
Adapun pengaruh negatif dari pembangunan turbin adalah : putaran sudu
atau gerbang pengarah dari turbin air dapat mengganggu ekologi natural sungai,
membunuh ikan, menghentikan migrasi dan menggangu mata pencaharian
manusia. Contohnya : suku Indian Amerika di Northwest Pasific mempunyai mata
pencaharian memancing ikan salmon, tapi pembangunan dam secara agresif
menghancurkan jalan hidupnya.
2.7 Turbin Aliran Silang
Turbin aliran silang yang pertama disebut turbin banki, ini berbentuk
skripsi yaitu tahun 1949 oleh State University di Oregon. Sedangkan publikasi
mengenai rancangan bangunan baru dimulai tahun 1967 oleh suatu badan yang
diberi nama VITA. Namun demikian, jauh sebelumnya turbin jenis ini telah
diproduksi oleh suatu pabrik yakni Ossberger di Jerman. Konstruksi Turbin
Ossberger mirip dengan separuh pompa keong. Disini air masuk menuju roda
turbin vertical terhadap lantai pondasi. Menurut propagadis turbin ini bereffisiensi
74% - 84% dan menjamin operasinya 80%. Apabila diperhatikan dengan cermat
bagian – bagian dan rakitan turbinnya masih terlalu rumit untuk memperoleh daya
Turbin aliran silang ini akhirnya lebih akrab kepada masyarakat pedesaan
dengan segala aspek kesederhanaannya. Hal ini telah dibuktikan oleh beberapa
badan kerja sama SKAT – Switzerland/BYS Nepal, GATE Jerman/BEW – Nepal,
GATE Jerman/CITA Equador dan ATD – Pakistan, semenjak tahun 1975 lebih
dari 500 unit telah dipasang dinegara ketiga tersebut.
Turbin aliran silang yang direncanakan ini dirancang dengan
menggunakan rumah turbin yang sedemikian rupa dalam bentuk yang sederhana
sehingga mudah diangkut dan dipasang. Pada turbin ini digunakan sebuah katup
(valve) yang berbentuk khusus yang berfungsi untuk mengatur arah dan kapasitas
aliran air. Menurut arah aliran airnya turbin ini dapat dibedakan atas dua jenis
yaitu :
1) Turbin aliran silang jenis vertical
Dimana air dialirkan melaului pipa pesat dengan posisi vertical terhadap
rumah turbin dan mendorong karangan sudu hingga roda jalan turbin berputar dan
[image:38.595.255.349.499.599.2]ini berlangsung secara kontinu.
Gambar 2.11 Turbin Aliran Silang Jenis Vertical.
2) Turbin aliran silang jenis horizontal
Dimana aliran air dialirkan melalui pipa pesat dalam posisi horizontal
terhadap rumah turbin dan menyembur / mendorong karang sudu hingga roda
Gambar 2.12 Turbin Aliran Silang Jenis Horizontal
2.8 Pengertian nosel dan diffuser
Nosel dan difuser pada umumnya digunakan pada mesin jet, roket,
pesawat udara dan lain-lain. Nosel adalah alat untuk meningkatkan kecepatan
fluida dan menurunkan tekanan. Difuser adalah kebalikan dari nosel yaitu sebuah
alat untuk menaikkan tekanan dan menurunkan kecepatan fluida. Luas penampang
nosel mengecil dengan arah aliran dan sebaliknya luas penampang difuser
membesar dengan arah aliran fluida. Nosel dan difuser di atas adalah untuk fluida
dengan kecepatan subsonik, jika untuk kecepatan supersonik maka bentuknya
merupakan kebalikannya.
Hal-hal penting yang berhubungan dengan persamaan energi untuk nosel
dan difuser adalah sebagai berikut :
1) Q ≅ 0. Rate perpindahan panas antara fluida yang melalui nosel dan difuser
dengan lingkungan pada umumnya sangat kecil, bahkan meskipun alat
tersebut tidak diisolasi. Hal tersebut disebabkan karena kecepatan fluida yang
relatif cepat.
2) W = 0. Kerja untuk nosel dan difuser tidak ada, karena bentuknya hanya
3) ∆ke ≠ 0. Kecepatan yang terjadi dalam nosel dan difuser adalah sangat besar, sehingga perubahan energi kinetik tidak bisa diabaikan.
4) ∆pe ≅ 0. Pada umumnya perbedaan ketinggian ketika fluida mengalir melalui nosel dan difuser adalah kecil, sehingga perubahan energi potensial dapat
diabaikan.
2.9 Posisi Penyemburan Terhadap Sumbu Roda Jalan
Telah diuraikan bahwa energi potensial air telah dirubah melalui
penyembur menjadi energi kinetik pada sudu atau tenaga putar roda jalan. Daya
keluaran ini sangat dipengaruhi oleh komponen – komponen kecepatan memasuki
sudu – sudu, juga telah dinyatakan c1 = 2(u1/cosα1) untuk α1 = 150 harga ini tidak
jauh berubah c1 = 2,07u1 hal ini berarti saat berikutnya c1 kembali memasuki sudu
yang lain berlawanan arah, keluar dari sisi masuk kali ini sebagai w1.
Disatu sisi keadaan ini menguntungkan yaitu dapat memanfaatkan secara
maksimal energi air. Disisi lain akan merugikan karena kecepatan c1
menimbulkan arus putar balik (tahanan) yang seharusnya menuju pipa lepas.
Kajian ini untuk menetapkan posisi terbaik dari penyembur terhadap sumbu
poros.
Posisi penyemburan terhadap sumbu roda jalan dapat dibedakan atas tiga
jenis yaitu :
1) Posisi vertikal.
Sisi masuk vertikal membentuk sudut 900 dengan lantai. Dilukiskan
kecepatan aliran keluar roda jalan sebagai keadaan penuh pada keadaan normal
pusar pada posisi setengah (1/2) belahan roda jalan (u1 = ½ c1). Arus pusar ini
merupakan tahanan geser antara lapisan tangensial dan sebagian lainnya
[image:41.595.221.407.170.323.2]menumbuk dinding setelah terbuang ke pipa lepas.
Gambar 2.13 Posisi Penyemburan Vertical
2) Posisi Horizontal.
Dari segi pengaruh komponen keceptan dari roda jalan meskipun persis
berada diatas pipa lepas tetapi masih terjadi arus pusar pada dinding belakang.
Pada kecepatan arus normal terjadi pula arus perlawanan dari sisi depan poros
dengan meniadakan letak pipa. Di lapangan sisi masuk tertentu lebih banyak
digunakan.
Gambar 2.14 Posisi Penyemburan Horizontal
3) Posisi miring.
Bedasarkan kedua kasus diatas diantara sudut miring antara 00 – 900
[image:41.595.209.412.527.629.2]kedudukan terbaik adalah membentuk 300. Pada sisi ini komponen kecepatan c1
berubah menjadi w1 dan w2. Pusaran liar tetap ada, tetapi kedudukan lapis telah
menjauhi roda turbin atau jatuh ke pipa lepas dengan tambahan gaya berat sendiri.
Lebih besar dari 300 kecendrungan terjadinya arus pusar diantara roda jalan dan
[image:42.595.227.396.222.330.2]dinding mulai terlihat.
Gambar 2.15 Posisi Penyemburan Miring
2.10 Katup
[image:42.595.243.416.481.723.2]Adapun posisi katup pada nosel turbin air aliran silang dapat dilihat pada
gambar di bawah ini.
2.11 Lengkung Masuk
Air aliran masuk turbin melalui pipa pesat berpenampang bulat dan
adaptor, tempat perubahan penampang lingkaran menjadi persegi panjang,
menjelang masuk rumah turbin. Sebelum mencapai raner turbin, sekali lagi aliran
disesuaikan agar masing – masing memenuhi dengan tepat persyaratan spesifik
seperti :
1) Kecepatan masuk mutlak, c0 yang benar
2) Sudut masuk mutlak, α0 yang benar
Pada gambar 2.17 terlihat penampang aliran yang berbeda – beda di
sepanjang lintasannya dari pipa pesat sampai rumah turbin. Sisi pemasukan turbin
melayani penyesuaian aliran aliran di akhir adaptor persegi menjadi pola aliran
[image:43.595.225.401.413.597.2]yang optimal di luasan masuk raner.
Gambar 2.18 Pola Aliran Masuk Turbin
Gambar 2.18 memperlihatkan pola aliran yang dimaui, dimana semua garis arus
di sembarang jari – jari mempunyai kecepatan dan sudut masuk yang tepat
sedemikian sehingga, berlaku ketentuan :
r cu = konstan (Literatur 6 hal 20)
Apabila ketentuan ini terpenuhi, semua garis arus akan memasuki raner di R1
dengan komponen kecepatan di arah keliling, cuo yang sama.Dan bila di akhir sisi
masuk seluruh energi tekanan telah diubah menjadi energi kinetis, maka
kecepatan mutlak, c0 masing – masing garis arus menjelang R1 menyerupai
kecepatan pancar bebas.
C0 = (2gH)1/2 (Literatur 6 hal 20)
Bila cu dan c berharga tetap di sepanjang busur pemasukan dengan jari – jari R1,
maka sudut kecepatan mutlak, α0 di sisi masuk turbin juga konstan. Karena itu
lengkung garis arus idealnya berupa garis yang membentuk sudut yang konstan,
antara garis singgung suatu titik pada lengkung pemasukan dengan vektor jari –
Gambar 2.19 Lengkung Pemasukan Ideal Bersudut Konstan
Satu–satunya lengkung yang mempunyai sifat istimewa seperti yang
dimaksudkan adalah spiral logaritmik. Spiral logaritmik dinyatakan dengan
rumus: rφ =ekφ
k = cot k (Literatur 6 hal 20)
(k > 0)
dimana :
φ
r = jarak suatu titik pada spiral dari pusatnya
e = bilangan logaritma alami = 2,7183
k = kotangen sudut antara garis singgung terhadap spiral logaritmik
dengan vektor jari – jari ke pusat spiral
Gambar 2.20 Rancangan Spiral Logaritmik Pemasukan Geometri Sudu
2.12 Diameter Dan Lebar Raner
Luas pemasukan aliran adalah hasil kali lebar raner, b0, dengan panjang
busur pemasukan, L. (Gambar 2.21)
A = b0 . L (Literatur 6 hal 21)
dimana :
A = Luas penampang pipa pancar (m2)
b0 = Lebar pipa pancar (m)
L = Panjang busur pemasukan (m)
L ditentukan oleh busur pemasukan, φ (0), dan diameter raner, D1 = 2.R1
° ° =
360 . . . 2R1πφ
L (Literatur 6 hal 21)
Dengan tinggi terjun tertentu, luas pemasukan tergantung kepada kebuthan debit
aliran.
dimana:
Q = Debit air atau laju aliran (m3/dtk)
A = Luas penampang pipa pancar (m2)
v = kecepatan aliran (m/dtk), tegak lurus terhadap luasan pemasukan
Komponen kecepatan yang berarah tegak lurus terhadap luasan pemasukan adalah
komponen kecepatan mutlak di arah bujur, cm. Sehingga dengan demikian maka :
Q = A . cm (Literatur 6 hal 21)
Komponen kecepatan di arah bujur ini dapat dinyatakan sebagai :
cm= c . sin α (Literatur 6 hal 21)
dimana :
Q = Debit air atau laju aliran (m3/dtk)
A = Luas penampang pipa pancar (m2)
cm = Komponen kecepatan mutlak di arah bujur
c = Kecepatan mutlak
α = Sudut kecepatan mutlak
Bila kecepatan pancar bebas, dengan mengabaikan kerugian tinggi terjun akibat
gesekan aliran, menggantikan kecepatan mutlak, maka :
H g
c= 2. . (Literatur 7 hal 52)
dimana:
c = Kecepatan mutlak
g = Percepatan gravitasi (m/dtk2)
Menggunakan hubungan tersebut diatas, debit air masuk turbin dapat dinyatakan
dengan :
C A Q= .
C L b Q= 0. .
° ° = 360 . . . 2 . 1
0 R C
b
Q πφ (Literatur 7 hal 52)
° ° = 360 . . . 2 . 1
0 R C
b
Q πφ
° ° = 360 . . 2 . . . 2 . 1
0 R gH
b
Q πφ
Persamaan diatas ini memuat semua besaran yang berpengaruh terhadap debit
aliran masuk turbin, yaitu :
b0 = Lebar pemasukan
R1 = Jari –jari lingakaran luar raner
φ = Sudut busur pemasukan
H 1/2 = akar tinggi air jatuh netto
Juga menjadi jelas bahwa baik lebar pemasukan maupun jari – jari raner
berpengaruh secara linear terhadap besar debit aliran. Dengan kata lain, suatu
turbin dengan lebar pemasukan, b0 = 300 mm dan diameter raner, D = 400 mm,
mempunyai debit yang sama besar dengan turbin berdiameter, D = 300 mm
dengan lebar pemasukan b0 = 400 mm. Ini menyebabkan kedua turbin bekerja
dengan tinggi terjun dan busur pemasukan bersih yang sama. Walaupun kecepatan
keliling kedua turbin sama, akan tetapi karena berbeda diameter maka kecepatan
BAB III
METODOLOGI PERANCANGAN
3.1 Tempat dan waktu
Perancangan turbin air ini dilakukan di Laboratorium Konversi Energi
Departemen Teknik Mesin USU selama 3 bulan dan pengujian serta pengambilan
data Turbin air jenis aliran silang dilaksanakan di Laboratorium Konversi Energi
Departemen Teknik Mesin USU selama 1 minggu. (Des 2009 s/d Feb 2010).
Adapun perancangan yang dilakukan di laboratorium konversi energi departemen
teknik mesin USU adalah sebagai berikut :
1. Mengukur dimensi dari peralatan yang akan dirancang sehingga dapat
meletakkan rancangan tersebut sesuai dengan tempat yang diinginkan.
2. Melepaskan peralatan yang akan dirancang sehingga terpisah satu persatu.
3. Menggeser peralatan yang akan dirancang ke tempat yang diinginkan.
4. Menyesuaikan tata letak peralatan yang akan dirancang sehingga dapat
melakukan instalasi pipa dengan mudah.
5. Membuat pondasi pada reservoar bawah dan pompa.
6. Merancang reservoar atas yang akan menampung air.
7. Menginstalasi pemipaan yang akan digunakan pada perancangan ini.
8. Memasang alat ukur pressure gage.
Diagram Alir pengujian Turbin Air jenis aliran silang.
3.2 Bahan Dan Alat
Bahan – bahan yang digunakan dalam perancangan ini adalah : air.
Adapun alat – alat yang digunakan dalam perancangan ini adalah :
1) 1 (satu) unit turbin air jenis aliran silang (cross flow)
2) 1(satu) unit generator
3) 1 (satu) unit pompa air dengan daya 5,5 kW
4) 1 (satu) unit tachometer, alat untuk mengukur putaran turbin dan generator
• Mencatat tekanan air masuk turbin air dengan Pressure Gage
• Mencatat putaran poros turbin air dengan Tachometer
• Mencatat putaran poros generator dengan Tachometer
• Mencatat tegangan keluaran generator dengan Tangmeter
Menganalisa data hasil pembacaan alat ukur kemudian disesuaikan dengan perhitungan yang telah dibuat.
Mengulangi pengujian dengan cara yang sama Mulai
• Volume reservoar bawah = a m3
• Volume reservoar atas = b m3
• Tekanan udara = 1 bar
• Kecepatan aliran masuk = d m/s
• Kapasitas aliran = e m3/s
• Putaran Turbin = c rpm
• Putaran Generator = c rpm
• Tegangan = v Volt
• Beban = p Watt
5) 1 (satu) unit tangmeter, alat untuk mengukur arus dan tegangan yang
dihasilkan
6) 2 (dua) unit pressure gauge, alat untuk mengukur tekanan air pada saat keluar
pompa dan pada saat masuk ke turbin
7) Alat – alat bantu perbengkelan seperti : kunci pas, kunci inggris, kunci ring,
kunci L, tang, obeng dsb.
3.3 Pengamatan dan Tahap Pengujian
Pada pengujian ini yang akan diamati adalah :
1) Tekanan air masuk pada turbin air, tekanan air keluar pompa.
2) Putaran poros pada turbin air, diukur dengan menggunakan alat Tachometer.
3) Putaran poros pada generator, diukur dengan menggunakan alat Tachometer.
4) Tegangan yang dihasilkan generator, diukur dengan menggunakan alat
[image:52.595.252.372.499.664.2]Voltmeter
Gambar 3.2 Tachometer
[image:53.595.223.400.423.639.2]Gambar 3.4 Sketsa instalasi turbin air aliran silang.
Gambar 3.5 Resevoar bawah
[image:55.595.211.413.423.697.2]BAB IV
Perhitungan komponen – komponen utama turbin
4.1 Pipa Penstock
Adapun kapasitas aliran air jatuh dari reservoar atas didapat dari pengujian
yaitu sebesar 0,04 m3/s. Sehingga pemilihan diameter pipa penstock dapat dilihat
berdasarkan perhitungan dibawah ini.
eff
v gH
C
C1 = 2. . Q= A.C1
=0,3 2.9,81.12
6 , 4 040 , 0 1 = = C Q A
=4,6 m/s =0,0087 m2
Maka :
( )
24 Dpen
A=π
π π 0087 , 0 . 4 . 4 = = A Dpen
=0,1053 m = 4,15 inci (dipilih 4 inci )
4.2 Daya Turbin
Turbin adalah alat yang berfungsi mengubah energi potensial air menjadi
energi mekanis. Daya turbin dapat dihitung berdasarkan persamaan :
t
t g HQ
P =ρ. . . .η (literatur 3 hal 92)
Dimana :
Q = Kapasitas Air (m3/dtk)
ρ = Massa jenis air = 1000 kg/m3
H = Head efektif turbin
t
η = Efisiensi turbin = 0,55 (nilai yang diasumsikan) (literatur 7)
Maka :
η ρ.g.H.Q.
Pt =
=1000.9,81.12.0,040.0,55
=2.589,84 W = 2,6 kW
4.3 Putaran Spesifik Turbin
Putaran spesifik adalah putaran yang diperlukan untuk menganalisa
hubungan antara putaran yang dihasilkan oleh daya turbin terhadap besarnya
energi potensial yang diberikan. Putaran operasi turbin = putaran operasi
generator karena perbandingan pully antara turbin dengan generator = 3 :1.
(literature 7 hal 71)
p f ngenerator 60 . = dimana :
f = Frekuensi (untuk Indonesia = 50)
p = Jumlah kutub = 2 (literatur 7 hal 71)
maka : 2 60 . 50 = n
=1500rpm
sehingga putaran operasi turbin menjadi :
= .1500 3 1
=500rpm
Maka putaran spesifik turbin dapat dihitung dengan mengunakan persamaan :
4 3 . 65 , 3 H Q n ns =
4 3 12 040 , 0 500 . 65 , 3 =
=56,61 rpm
4.4 Generator
Generator berfungsi sebagai alat pengubah energi mekanik menjadi energi
listrik. Generator dipilih berdasarkan standarisasi yang sudah ditetapkan.
Generator yang digunakan memiliki jumlah kutub 2 pasang dan putaran 1500
rpm. Pada perancangan ini daya dan putaran dari poros turbin dikopel langsung ke
putaran generator, sehingga putaran turbin sama dengan putaran generator.
Generator yang digunakan mempunyai faktor daya (cos ϕ) sebesar 0,85.
Besarnya daya yang dihasilkan generator berdasarkan persamaan :
tr g t
g P
N = .η .η (literatur 7 hal 73)
dimana :
NG = Daya generator (kVA)
Pt = Daya turbin (W)
ηG = Efisiensi generator = 0,96
maka : 95 , 0 . 96 , 0 . 6 , 2 = G N
=2,371 kVA
Jadi besar daya generator dalam satuan kW adalah dari persamaan :
=2,371.0,85
=2,016 kW
4.5 Diameter Luar Runner
Runner adalah salah satu komponen utama sebuah turbin air yang berperan
dalam menghasilkan daya dari debit dan tinggi jatuh air yang bekerja padanya,
dimana runner memiliki fungsi sebagai penerima kerja dari fluida dan energi yang
dikandung fluida dikonversikan menjadi energi pada poros. Diameter luar runner
dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
t n U D . . 60 1 1 π = Dimana :
U1 = kecepatan tangensial pada sisi masuk
α1 = 160 (sudut pancaran fluida masuk)
2 cos . 1 1 1 α C U =
Dimana C1 diperoleh dari perhitungan di atas adalah : 4,6 m/s
sehingga U1 dapat dihitung sebagai berikut :
2 16 cos . 6 , 4 1 ° = U 1
Maka diameter luar roda runner (D1) 500 . 211 , 2 . 60 1 π = D
D1 = 0,085 m = 85 mm
4.6 Kecepatan Relative Pada Sisi Masuk
Kecepatan relative pada sisi masuk dapat dihitung dari persamaan:
1 1 1 2 1 2 1
1 C U 2.U .C .cosα
W = + −
Dimana :
C1 = kecepatan absolute fluida pada sisi masuk / kecepatan fluida keluar
α1 = 160(sudut pancaran fluida masuk)
U1 = kecepatan tangensial pada sisi masuk
maka :
° −
+
= 4,62 2,2112 2.4,6.2,211.cos16
1 W 549 , 2 1 =
W m/s
4.7 Kecepatan Relative Pada Sisi Keluar
Kecepatan relative pada sisi keluar dapat dihitung dari persamaan:
1 2
1 1
2 sinβ
= R R W W Dimana:
R1 = jari – jari lingkaran luar runner
R2 = jari - jari lingkaran dalam runner
β1 = sudut sudu sisi masuk (300)
Dari hasil yang didapat oleh teman yang megerjakan perhitungan jari – jari
Maka : °
= sin30 0561 , 0 085 , 0 549 , 2 2 W 931 , 1 2 =
W m/s
4.8Kecepatan Tangensial Pada Sisi Keluar
Kecepatan tangensial pada sisi keluar dapat dihitung dengan persamaan:
1 1 2 2 xU R R U = Maka: 211 , 2 085 , 0 0561 , 0 2 x U = 46 , 1 2 =
U m/s
4.9 Sudut Kecepatan Mutlak Sisi Keluar
Sudut kecepatan mutlak sisi keluar dapat dihitung dengan persamaan:
1 2 2 tan W W = α Maka: 549 , 2 931 , 1 tanα2 =
758 , 0 tanα2 =
° = ° =37,146 37,2
2 α
4.10 Kecepatan Absolut Fluida Pada Sisi Keluar
Kecepatan absolut fluida pada sisi keluar dapat dihitung dengan
2 2 2
cosα
U
C =
Maka :
° =
2 , 37 cos
46 , 1
2 C
83 , 1
2 =
BAB V
PERHITUNGAN NOSEL
Nosel adalah alat untuk meningkatkan kecepatan fluida dimana luas
penampang nosel mengecil sesuai dengan arah aliran. Adapun penampang
[image:64.595.238.421.223.314.2]samping dari nosel itu sendiri dapat di lihat pada gambar 4.1 dibawah ini.
Gambar 5.1 Penampang samping dari nosel.
Perhitungan nosel itu sendiri meliputi luasan pemancaran air yang terdiri
dari : panjang busur pemasukan (L) dan lebar pipa pancar (b0). Adapun luasan
dari pemancaran air tersebut dapat dilihat dari gambar dibawah ini.
Gambar 5.2 Luasan pemancaran air pada nosel turbin air aliran silang.
5.1 Panjang Busur Pemasukan (L) dan Lebar Pipa Pancar (b0)
Panjang busur pemasukan (L) ditentukan oleh busur pemasukan, φ (0),
dan diameter runner, D1 = 2.R1. Dimana dari hasil yang didapat oleh teman yang
[image:64.595.220.404.439.587.2]° ° = 360 . . . 2R1πφ L ° ° = 360 2 , 13 . . 0425 , 0 . 2 π
=0,0098 m
Lebar pipa pancar dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
° ° = 360 sin . . . 2 . . . 2 . 1
0 R πφ gH α
b Q
α φ
π. . 2. . .sin . 2 360 . 1 0 H g R Q
b = °
12 . 81 , 9 . 2 2 , 13 . . 0425 , 0 . 2 360 . 037 , 0 ° ° = π
5.2 Segitiga Kecepatan
Data – data yang diperlukan untuk menggambar segitiga kecepatan yang
terjadi pada sudu – sudu turbin akibat pancaran aliran air dari nosel dapat dilihat
dibawah ini. Dari data yang telah dihitung pada bab iv diperoleh :
1
U = 2,211 m/s
α1 = 160
549 , 2
1 =
W m/s
46 , 1
2
3 =U =
U m/s
83 , 1
2
3 =C =
C m/s
° = ° =
= 2 37,146 37,2
3 α
α
° = = 2 90
3 β β 931 , 1 2
3 =W =
W m/s
211 . 2
1
4 =U =
U m/s
549 , 2
1
4 =W =
W m/s
° =90
4 α
1
4 0,276C
C = 211 , 2 276 , 0 4 x C = 61 , 0 4 =
Gambar 5.4 Segitiga kecepatan.
5.3 Energi Pada Sudu – Sudu Raner Turbin
Energi yang terjadi pada sudu raner turbin akibat adanya gaya dorong
dari nosel dapat dihitung sebagai berikut :
U F
Emek = u. (literatur 7 hal 86)
) (
)
( 3 3 4
2 1 1 u u u u
mek C C
g U C C g U
E = − + −
Dimana :
1 1
1 C .cosα
Cu =
16 cos . 6 , 4
1u =
C
422 , 4
1u =
C m/s
2 2
2 C .cosα
C u =
2 , 37 cos . 83 , 1
2u =
C
458 , 1
2u =
C m/s
3 3
3 C .cosα
C u =
2 , 37 cos . 83 , 1
3u =
C
α2 β2
β2
C2
W2 U2 W1
U1 C1
458 , 1
3u =
C m/s
4 4
4 C .cosα
C u =
° =0,61.cos90
4u C
0
4u =
C m/s
Sehingga :
(
)
(
)
− + −= 1,458 0
81 , 9 46 , 1 458 , 1 422 , 4 81 , 9 211 , 2 2 mek E 77 , 1 = mek
BAB VI
KESIMPULAN
Pembangkit listrik tenaga air sangat tepat dikembangkan di Indonesia
mengingat potensi tenaga air yang sangat besar dan masi dimanfaatkan secara
maksimal.
Energi potensial air adalah merupakan salah satu energi alternatif untuk
menggantikan energi konvensional (bahan bakar fosil) dan sangat bersahabat
dengan lingkungan. Masalah yang menjadi hambatan dalam pembangunan sistem
pembangkit listrik tenaga air adalah investasi awal yang sangat besar, sehingga
investasi per kilowatt lebih tinggi dibandingkan dengan sistem pembangkit listrik
yang lain. Namun apabila dibandingkan ke masa yang akan datang, pembangkit
listrik tenaga air sangat mengguntungkan karena biaya operasi dan perawatan
relatif kecil.
Dari hasil perhitungan yang dilakukan dalam perancangan ini dapat
ditampilkan yaitu sebagai berikut:
6.1Turbin Air
• Jumlah : 1
• Jenis turbin : Turbin aliran silang (cross flow)
• Daya turbin : 2,6 kW
• Putaran operasi turbin : 500 rpm
• Putaran spesifik turbin : 56,61 rpm
• Tinggi jatuh air : 12 m
• Kapasitas aliran turbin : 0,040 m3/dtk
• Jenis rumah turbin : Tipe tertutup
6.2Generator
• Daya generator : 2,371 kVA
• Putaran generator : 500 rpm
• Frekuensi : 50 Hz
• Jumlah kutup : 2 pasang
• Cosφ : 0,85
6.3Pipa penstock
• Panjang : 12 m
• Diameter : 0,1016 m
6.4Sudu jalan (raner)
• Diameter dalam roda runner : 0,0561 m
• Diameter luar roda runner : 0,085 m
6.5Perhitungan Nosel
• Panjang Busur Pemasukan : 0,0098 m
DAFTAR PUSTAKA
1) Steeter LV dan Wylie B,”Mekanika Fluida”, edisi ke-8, Penerbit Erlangga,
Jakarta, 1993.
2) Sularso.K.Suga,”Elemen Mesin”, PT Pradya Parahita, Jakarta, 1983.
3) Victor, L.Steeter and Benjamin Wylie,”Mekanika Fluida”, Penerbit Erlangga,
Jakarta, 1993.
4) Warnick, C.C,”Hydropower Engineering”, Prentice Hall, Inc, New York,
1984.
5) M. Edy Sunarto, Alex Arter, Ueli Meler, “Pedoman Rekayasa Tenaga Air”,
Jakarta, 1991.
6) Ir. Sularso,”Pompa Dan Kompressor”, Cetakan ketiga, PT. Pradya Paramita,
Jakarta, 1987.
7) Dietzel Fritz, “Turbin Pompa dan Kompresor”, Cetakan Ke-Lima, Penerbit
Erlangga, Jakarta, 1996.
8) http://www.google.co.id/url?sa=t&source=web&ct=res&cd=1&ved=0CAYQF
jAA&url=http%3A%2F%2Fagungchynta.files.wordpress.com%2F2007%2F0
3%2Fpemanfaatan-tenaga-air.doc&rct=j&q=pemanfaatan+tenaga+air&ei=gMapS6WNG8qxrAe07Mj7A
