BAB 6 MESIN HIDRAULIK

Bab ini dirangka untuk membantu pelajar mencapai perkara berikut:

1. Mengetahui jenis jenis pam dan turbin. 2. Mengenalpasti ciri ciri pam dan turbin.

3. Mengira dan menentukan kecekapan pam dan turbin.

Di akhir bab, adalah diharapkan para pelajar dapat:

1. Membuat perbandingan di antara prinsip kerja pam dan prinsip kerja turbin. 2. Menilai fungsi sesuatu pam dan turbin dalam melaksanakan kerja.

Contoh penggunaan pam adalah semasa penghantaran air melalui sistem talian paip ke kawasan bertanah tinggi. Manakala turbin pula digunakan didalam operasi hidroelektrik.

!

Pam dan turbin adalah peralatan mesin bendalir yang membantu menambahkan atau mengurangkan tenaga didalam sesuatu operasi kerja. Mesin rotodinamik adalah salah satu mesin hidraulik yang bertindak sebagai peranti yang memindahkan tenaga samada kepada atau daripada bendalir yang mengalir secara selanjar melalui tindakan dinamik satu atau lebih deretan bilah yang bergerak dinamakan mesin turbo. Pada asasnya, deretan bilah yang berputar iaitu pemutar menukarkan entalpi genangan bendalir yang bergerak melaluinya dengan melakukan kerja positif atau negatif bergantung kepada penghasilan daripada mesin. Perubahan entalpi berkait rapat dengan perubahan tekanan yang terjadi secara serentak dalam bendalir.

Dua kategori utama mesin turbo yang dikenalpasti iaitu:

(a) mesin yang menyerap kuasa untuk menaikkan tekanan bendalir atau turus seperti kipas bersalur, pemampat dan pam.

(b) mesin yang menghasilkan kuasa dengan mengembangkan bendalir ke suatu tekanan atau turus yang lebih rendah seperti turbin stim dan gas.

"

Pam berfungsi menambahkan tenaga kepada bendalir didalam sesuatu operasi dengan menukarkan tenaga mekanikal kepada tenaga air. Pam boleh berfungsi secara tunggal atau berpasangan (bersiri atau selari). Secara umum pam diklasifikasikan kepada dua iaitu pam anjakan positif dan pam rotodinamik seperti ditunjukkan di Rajah 7.1.

Rajah 7.1 Klasifikasi pam PAM

Anjakan Positif Rotodinamik

Putaran ( Salingan

( )

Empar

( )

Aliran Paksi

( )

Aliran Campuran

Pam rotodinamik diklasifikasikan berdasarkan kepada pergerakkan utama bendalir

# $ % &

Pam anjakan positif berfungsi untuk membawa sekuantiti bendalir dengan setiap putarannya. Pam ini digunakan kebiasaanya untuk bendalir yang mempunyai ketumpatan yang tinggi seperti cat, minyak atau kumbahan. Ia boleh dikategorikan kepada 2 iaitu pam salingan dan pam putaran. Pam salingan seperti Rajah 7.2 (a) mengerakkan bendalir dengan menggunakan omboh ke dalam silinder dengan injap yang mengawal arah pergerakkan air. Contohnya pam pendesak dan pam pengangkut.

Begitu juga dengan pam putaran yang berfungsi seperti pam salingan yang membenarkan bendalir memenuhi ruang kemudian memaksa bendalir keluar dengan mengurangkan isipadunya. Tetapi pam putaran tidak mempunyai injap dan menggunakan komponen putarannya untuk menggantikan injap.

' %

Pam rotodinamik berfungsi dengan meningkatkan tenaga bendalir dengan pergerakkan pendorong ( ) dengan bergantung kepada tindabalas pergerakkan air dan bentuk pendorong. Pam terbahagi kepada 3 iaitu pam paksi (atau pam pendorong), pam campuran (aliran jejari dan paksi) dan pam empar (aliran jejari dan campuran) seperti yang ditunjukkan di Rajah 7.3 (a) dan (b).

Rajah 6.2 (a) Pam Salingan _{Rajah 6.2 (b) Pam Putaran}

' "

Pam empar merupakan sejenis pam rotodinamik yang paling popular kerana ia popular dalam penggunaanya dan terdapat banyak di pasaran. Pam ini boleh membuat pergerakan aliran paksi dan campuran (aliran arah paksi ( ) dan aliran arah jejari ( )). Rajah 7.4 dibawah menunjukkan bahagian utama pam.

Merujuk kepada Rajah 6.4, air mengalir ke dalam pam dalam arah paksi menyebabkan pendorong (impeller) berputar. Bentuk pendorong akan membuatkan air mengalir keluar dari pendorong dan seterusnya dari pam. Air yang mengalir keluar menyebabkan 2 komponen halaju terjadi iaitu halaju putar (tangen) dan halaju aliran (jejari)

' # ( ) ( ! !

Lengkung kadar alir, Q melawan turus, H dan lengkung kecekapan, η melawan kadar alir, Q menunjukkan ciri – ciri sesebuah pam. Kebanyakan pam beroperasi dengan kelajuan malar (diukur dalam putaran per minit atau rpm) daripada mengubah beban air. Lengkung – lengkung ini biasanya di lakarkan untuk sesuatu nilai kelajuan yang di ingini (rekabentuk). Lengkung kadar alir, Q dan turus, H boleh dibuktikan daripada teori mekanik pam dimana

−

= (6.1)

dimana a dan b adalah pemalar bergantung kepada jenis pam

Secara teorinya, kadar alir, Q melawan turus, H menghasilkan garisan tegak seperti di Rajah 6.5. Tetapi didalam keadaan sebenar, ia menunjukkan garisan lengkung dan didapati nilai turus sebenar lebih rendah daripada yang sepatutnya (teori).

Bilah ( )

Pendorong (!

Bekas/Kelongsong (

Ini menunjukkan terdapat kehilangan turus yang berlaku di dalam pam disebabkan oleh pengaliran air keluar dan masuk (kehilangan kecil) dan geseran didalam pam. Ciri keseluruhan pam empar boleh ditunjukkan seperti Rajah 7.6 dimana hubungan kuasa masuk, P, kecekapan, η dan turus, H melawan kadar alir, Q.

Apabila injap pada paip hantaran ditutup, pendesak yang sedang memutar akan memusingkan air sehingga tekanan di titik keluar pam naik ke turus maksimum ( " # " ). Apabila injap ini dibuka secara beransur untuk membenarkan aliran berlalu di dalam paip, turus pam akan turun. Dengan penambahan kadar alir, kecekapan pam turut bertambah sehingga mencapai optimum dan kemudian menurun semula sehingga tamat. Persilangan diantara turus dan kuasa ketika kecekapan maksimum merupakan titik terbaik untuk menjalankan pam.

Kadar alir, Q

T

u

ru

s,

H

− = (teori)

sebenar _Kehilangan

turus

Rajah 6.5 Lakaran hubungan kadar alir Q dan turus H

Kecekapan

turus Turus, H

Kecekapan, η Kuasa, P

Kadar alir, Q Kuasa masuk

* ( + (

Jadual 6.1 Simbol umum bagi persamaan pam

Simbol Penerangan

1 V halaju mutlak bendalir

2 v halaju nisbah bendalir pada bilah

3 u

halaju sisian pada bilah = 60 2π $

4 r jejari

5 N pusingan per minit

6 α sudut berdasarkan halaju mutlak dengan arah halaju sisian positif

7 β sudut berdasarkan halaju nisbah dengan arah halaju sisian negatif dan dikenali sebagai sudut bilah

8 _β' =₁₈₀−β

9 Vu = Vcos α dikenali sebagai halaju putar dan juga komponen tangen pada halaju mutlak V dan

10 Vf Vsin α dikenali sebagai halaju aliran dan juga komponen jejari pada halaju mutlak V

11 b lebar laluan aliran

Daya kilas (% & ) iaitu daya yang bertindak pada bendalir ketika masuk (1) dan keluar (2) iaitu:

)

Persamaan kadaralir dalam bentuk halaju aliran ( ) ketika masuk (1) dan keluar (2) iaitu:

1

Turus manometrik (H’) ialah turus yang dipindahkan daripada aci bersamaan juga dengan turus yang dihantar ke mesin hidraulik ketika masuk (1) dan keluar (2) iaitu:

(

)

1 1 2 2 '

'

' −

= =

η

' 1− " =

η (6.5)

Kecekapan keseluruhan pam adalah nisbah kuasa keluaran, ) (terhasil daripada turus yang dinaikkan dengan kadar alir tertentu) per kuasa masukan, ) iaitu,

Kuasa keluaran ialah kuasa yang dihantar ke bendalir (kuasa bendalir),

) atau) = ρgQH Watt (6.6)

Dimana Q = kadar alir (m3/s) ρ= ketumpatan (kg/m3) g = pecutan graviti (m/s2)

H = turus sebenar (m) (Hsebenar= Hteori– kehilangan turus).

Manakala kuasa masukan adalah kuasa daripada pam (mekanikal)

) atau) = 2π$% Watt (6.7)

Dimana $ = kelajuan pam (putaran per minit)

% = daya kilasan motor

Maka, Kecekapan keseluruhan ialah:

) )

) γ

η = 100= =

brek kuasa

bendalir kepada

dihantar yang

kuasa

(6.8)

dimana,

) ( ₂' _{2 1}'₁ %

) = ω=ρ − (6.9)

'

) =γ

, ! % $- - )

1. Apabila kelajuan, $ berubah

a. Kapasiti, berubah terus dengan kelajuan $

2

b. Turus, berubah dengan kelajuan ganda dua, _$2

2

c. Kuasa, ) yang diperlukan oleh pam berubah terus dengan kelajuan ganda tiga, 3

2. Apabila garis pusat pendesak, ( berubah

a. Kapasiti, berubah terus dengan garis pusat, (

2

b. Turus, berubah dengan garis pusat ganda dua, ₍2

2

c. Kuasa, ) yang diperlukan oleh pam berubah dengan garis pusat ganda tiga, 3

(

Prototaip dan model adalah sesuatu yang serupa dari segi geometri tetapi di dalam ukuran yang berlainan. Kebiasaannya nisbah ukuran model lebih kecil daripada prototaip.

4

$ merupakan satu indeks bagi sesebuah pam tertentu dan nilai $ ini selalu digunakan untuk membanding pam yang berlainan saiz misalnya diperlukan ketika pemilihan pam ingin dilakukan.

Jadual 6.2: Nilai Nsoleh pam rotodinamik

Jenis pam Nilai $

rotodinamik (ka), (gal/min) (m), (m3/s)

Empar 500 – 2000 10 – 42

Aliran bercampur 3500 – 8000 74 – 170

Aliran paksi 7000 – 15000 150 – 315

Sekiranya sesebuah pam dengan garis pusat yang berbeza dipilih, pam ini harus mempunyai $ yang sama seperti pam yang dirujuk. Ringkasnya, pam yang berbentuk geometri sama akan mempunyai nilai $ yang sama, ciri ini dinamakan homolog.

.

Adakalanya prestasi sesebuah pam perlu dikaji dengan menggunakan model berdasarkan prototaip apabila terdapat keserupaan dari segi geometri. Daripada pengetahuan analisis dimensi, hubungan berikut boleh diterbitkan seperti berikut:



Dengan kelompok pertama di dalam kurungan ialah nombor Reynolds.

Sekiranya cecair yang digunakan di dalam model adalah serupa dengan di dalam pam dasar, maka kesan nombor Reynolds sangat kecil dan boleh diabaikan, maka



a. Pekali kadar alir

b. Pekali turus

2

c. Pekali kuasa

2

d. Pekali kelajuan

2

Rajah 6.7 Pam diantara dua takungan

Persamaan 6.22 boleh juga dibuktikan dengan menggunakan persamaan tenaga di antara pam dan takungan.

" "

"₁= − (6.23)

Apabila air keluar dari pam, tekanan yang tinggi akan memberikan tujahan hantaran statik dan menghasilkan rintangan geseran di dalam paip hantaran, " . Oleh itu, jumlah turus yang keluar dari pam:

" "

" ₂= + (6.24)

Jumlah turus pam (H atau hp) ialah beza jumlah turus di titik keluar dan di titik masuk, iaitu

= " ₁−" ₂

=

(

" +"

) (

− " −"

)

=

(

" −"

)

+" +" = *+∑"

= * −* +∑" (6.25)

Apabila pam beroperasi bersama dengan sistem paip, kedua duanya hendaklah mempunyai kadar alir yang sama supaya pam berupaya membekalkan kuasa yang diperlukan oleh sistem. Oleh itu, untuk menyesuaikan pam supaya boleh beroperasi dengan suatu sistem yang ada, kadar alir dan turus pam berkenaan hendaklah dipilih pada titik kerja. Rajah 6.8 diplot dan titik silang di antara lengkung sistem paip dan lengkung pam menunjukkan nilai kadar alir, dan turus, pada titik kerja.

Rajah 6.8: Lakaran lengkung pam dan sistem

*

Titik kerja

Lengkung pam

Lengkung sistem paip *+

=

Turus,

Kadar alir,

Oleh itu, turus yang terhasil daripada pemasangan pam ke dalam talian paip ialah *+

= iaitu untuk menghasilkan aliran di dalam sistem talian paip melalui pam, tenaga yang diperlukan oleh sistem hendaklah sama dengan yang dibekal kepadanya oleh pam. dimana * ialah tujahan statik dan

∑

" ialah jumlah turus geseran di dalam

paip ( ).

0

Rajah 7.9 Pam selari dalam rangkaian paip

Jika sebuah pam berupaya menghasilkan turus yang dikehendaki tetapi kadar alir rendah, maka kombinasi pam yang serupa secara selari diperlukan untuk meningkatkan kadar alir.

Rajah 7.9 menunjukkan dua pam iaitu pam A dan pam B disambungkan secara selari didalam rangkaian paip menyebabkan jumlah kadaralir (Qj) didalam sistem bertambah iaitu:

+= + (6.25)

Manakala nilai turus adalah sama di pam A dan juga di pam B iaitu:

+= = (6.26)

"

Rajah 6.10 Pam bersiri dalam rangkaian paip

Kombinasi pam bersiri digunakan apabila sebuah pam menghasilkan turus yang rendah dan penambahan pam kedua dapat meningkatkan turus ke tahap yang dikehendakki. Rajah 7.10 menunjukkan dua pam iaitu pam 1 dan pam 2 disambungkan secara bersiri didalam rangkaian paip dan turus didalam sistem adalah jumlah bagi kedua dua pam tersebut iaitu:

P1 P2

+= = (6.27)

Manakala kadaralir di pam 1 adalah sama nilainya dengan pam 2 iaitu:

+= = (6.28)

Kedua dua pam samada disusun secara bersiri atau selari mestilah beroperasi menghampiri kecekapan maksimum untuk penghasilan yang ekonomi.

(1 12 "

Sebuah pam dikehendaki mngepam air sebanyak 10 m3/s dibawah turus 80 m dengan kelajuan, N adalah 450 rpm. Jika kuasa masukan Pi adalah 9700 kW dan ketumpatan air, ρ diberi sebagai 998.2 kg/m3pada suhu 20oC. Kirakan:

(i) Kuasa Keluaran Po

(ii) Kecekapan keseluruhan pam

3 4

Data: Q = 10 m3/s , H = 80 m, N = 450 rpm, Pi= 9700 kW, ρ = 998.2 kg/m3

i. Kirakan kuasa keluaran, Po Po= ρgHQ

= 998.2 X 9.81 X 80 X 10 = 7834 kW

ii. Kirakan kecekapan keseluruhan, η η = Po/ Pi X 100 %

= 7834/9700 X 100% = 80.8 %

(1 12 #

Sebuah pam empar A dikehendaki mengepam air sebanyak 7 m3/s di bawah turus 150 meter dengan kelajuan 450 putaran/min. Sebuah pam empar B yang menyerupai pam A in boleh mengepam air sebanyak 0.2 m/s dengan kuasa masukan 220 kW dan kecekapan 80%. Tentukan

i. turus yang dipam oleh pam B ii. kelajuan pam B

3 4

ii. Untuk keserupaan di antara A dan B, kelajuan tentu Nsharus sama.

,

iii. Gunakan salah satu daripada persamaan keserupaan tersebut untuk memperolehi nisbah DA/DB.

Dengan menggunakan pekali kadar alir,

, = (7/0.2) (1810/450)

(1 12 '

Pam empar mengalirkan air sebanyak 100 L/s pada halaju 1450 rpm dibawah turus 15 m. Pendesak (impeller) mempunyai diameter luar 25 cm bersama lebar luaran 6 cm. Diberikan nilai kecekapan manometrik adalah 0.8. Kirakan sudut bilah pada bahagian luarnya jika diberi segitiga halaju keluar seperti di Rajah 7.11.

3 4

Andaikan aliran secara berjejari pada masukan,

2

Gunakan formula kadaralir,

Turbin Francis telah dicipta oleh James Bicheno Francis pada tahun 1849 yang digunakan untuk kejatuhan tekanan air setinggi 10 m 200 m.

"" %

Turbin adalah mesin hidraulik yang digunakan untuk menukarkan tenaga hidraulik sesuatu bendalir kepada tenaga mekanikal. Ia biasanya digunakan untuk menghasilkan tenaga elektrikal ( ) dengan menggunakan purata aliran air atau perbezaan ketinggian sesebuah sungai atau takungan air. Turbin hidraulik diklasifikasikan kepada 2 iaitu pam tindakbalas dan pam dedenyut seperti di Rajah 7.12.

"# % %

Turbin tindakbalas menghasilkan kuasa daripada tindakbalas air yang mengalir melalui bilah bilahnya dalam kejatuhan tekanan atau perbezaan turus, H yang rendah dengan kadar alir yang tinggi. Selain itu, secara asasnya aliran berlawanan dengan aliran pam rotodinamik. Turbin ini diklasifikasikan kepada 3 jenis aliran iaitu jejari, paksi dan campuran. Terdapat banyak jenis pam seperti turbin , turbin Ljungstrom dan turbin IFR 90otetapi yang paling popular ialah turbin Francis dan turbin Kaplan.

"# " % & (

Turbin Francis adalah turbin aliran jejari yang mempunyai sejarah perkembangan yang lama kerana merupakan peranti pertama yang diilhamkan untuk menghasilkan kuasa hidraulik selama 150 tahun yang lalu. Rekabentuk turbin Francis membenarkan proses aliran jejari atau aliran campuran dan bayak digunakan untuk turbin air. Tubin sesuai digunakan untuk kadar alir dan perbezaan turus yang sederhana.

Rajah 6.13 (a) dan (b) menunjukkan lakaran skematik turbin Francis dan siri bilahnya. Proses bermula apabila bendalir mengalir memasukki ruang dan bergerak ke bilah bilah melalui beberapa siri injap. Injap tersebut digunakan untuk mengawal aliran dan arah

Dedenyut Tindakbalas

Pelton Francis Kaplan

TURBIN

Turbin Kaplan telah dicipta pada tahun 1914 oleh Victor Kaplan untuk kejatuhan air yang lebih sederhana ketika laluan air yang lebih deras

pergerakkan air. Pada permulaan, bilah bertindakbalas dengan air yang memasukki turbin dan kemudian bahagian bawah bilah pula bertindakbalas dengan hentaman air ketika mengalir keluar daripada turbin.

"# # % % % %

Turbin pemutar adalah turbin aliran paksi samada dengan bilah tetap atau bilah boleh laras (turbin Kaplan) dimana ia boleh diubahsuai bergantung kepada keadaan operasi yang dijalankan.

Proses berlaku apabila bendalir mengalir masuk melalui injap masukkan bilah dan terus ke rotor dengan membuat halaju tangen ketika berputar. Injap masukan bilah dan bilah putaran boleh dilaraskan dengan menukarkan sudut untuk mendapatkan keluaran yang optimum berdasarkan sesuatu operasi. Contohnya: operasi yang melibatkan kesesuaian turus dan kadaralir berubah daripada musim ke musim melalui rotor yang pelbagai

Ruang masuk

Ruang

Injap pengawal Ruang keluar Bilah

Rajah 6.13 (a) Lakaran skematik turbin

Francis Rajah 6.13 (b) Siri bilah turbin Francis

paksi

bilah

takungan janakuasa Turbin Kaplan atau

Turbin dedenyut pelton dinamakan sempena dengan nama seorang jurutera Amerika Lester Allen Pelton yang telah mendapat hak ciptanya pada abad ke 19.

"' % 5 %

Turbin dedenyut menghasilkan tenaga/kuasa dengan memesongkan, merendahkan dan menghentikan pergerakkan air menggunakan bilah bilahnya. Turbin Pelton adalah yang paling popular bagi turbin jenis ini.

"' " % 5 % %

Turbin Dedenyut Pelton sesuai digunakan apabila turus tinggi dan kadar alir rendah. Sekiranya tahap kejatuhan air (turus) adalah terlalu tinggi (> 200m) dimana semua keupayaan tenaga bersamaan dengan kejatuhan air ditukarkan kepada tenaga kinetik sebelum memasuki turbin.

Rajah 6.15 menunjukkan penggunaan turbin di empangan dimana tenaga pada bendalir yang memasuki rotor adalah dalam bentuk tenaga kinetik yang terhasil daripada pengaliran terus yang melalui pada bilah atau pendesak ditukarkan kepada kerja mekanikal terus kepada aci. Kebiasaannya 2 atau lebih jet air dengan satu roda pemutar digunakan untuk meningkatkan kuasa pada pemutar aci yang mendatar, tetapi ada juga susunan jet yang pelbagai digunakan bersama turbin aci menegak.

Empis air Takungan

Timba

Jet air Muncung

Turbin Pelton

Rajah 6.16 : Timba turbin Pelton

Hentaman jet daripada muncung ( ** ) secara tangen ditujukan kepada sirip tengah timba turbin Pelton seperti di Rajah 7.16 semasa proses kerja turbin Pelton dijalankan. Timba timba tersebut dipasang bersekali dengan satu roda ataupun berasingan.

"* ( +( %

Jadual 6.3 menunjukkan ciri – ciri umum bagi turbin tindakbalas dan turbin dedenyut.

Jadual 6.3 Simbol umum bagi persamaan pam

Simbol Penerangan

1 V halaju mutlak bendalir

2 v halaju nisbah bendalir pada bilah

3 u

halaju sisian pada bilah = 60 2π $

4 r jejari

5 N pusingan per minit

6 α sudut berdasarkan halaju mutlak dengan arah halaju sisian positif

7 β sudut berdasarkan halaju nisbah dengan arah halaju sisian negatif dan dikenali sebagai sudut bilah

8 _β' =₁₈₀−β

9 Vu = Vcos α dikenali sebagai halaju putar dan juga komponen tangen pada halaju mutlak V dan

10 Vf Vsin α dikenali sebagai halaju aliran dan juga komponen jejari pada halaju mutlak V

Jadual 6.4: Ciri – ciri turbin %6

( 1 & 7 8 9 6

Turus H (m) 100 1760 30 450 1.5 75

Halaju N (rpm) 75 1000 70 1000 70 600

Halaju tentu, Ns 8 – 30 40 – 420 380 – 950

Kuasa, Pm(MW) 105 600 125

Persamaan 6.29 hingga persamaan 6.29 adalah persamaan umum bagi turbin dan ketika masuk (1) dan keluar (2) iaitu:

Kadaralir ( " )

Daya kilas (% & ) adalah daya yang diwujudkan oleh tindakbalas cecair dengan bilah )

Turus (" ), He= turus yang dihasilkan oleh turbin =

Kecekapan hidraulik ( )

bersih

dimana turus bersih (H) adalah perbezaan turus tenaga pada hulu turbin dan hilir

( ).

Kuasa () ) yang terbahagi kepada 2 iaitu kuasa keluaran (kuasa yang dipindahkan ke aci ( " ) iaitu

) atau) =%ω =ρ ('_{1 1}−' _{2 2}) (6.33)

dan kuasa masukan (kuasa air)

Kecekapan keseluruhan (- ) ialah:

100 air

kuasa aci kuasa

) ) = =

η (6.35)

Kelajuan tentu ditakrifkan sebagai kelajuan turbin yang boleh menggunakan seunit isipadu/saat cecair untuk turus seunit satu meter ketika beroperasi dengan kecekapan maksimum.

4 / 5

) $

$ = unit

[

1/2 −3/4 −3/2

]

%

. (6.36)

", % % %

Rajah 7.17 menunjukkan vektor bagi aliran masuk dan keluar bagi timba ( )

turbin Pelton.

Terdapat persamaan yang khas untuk turbin Pelton yang berkaitan dengan timbanya

( ).

Halaju jet, V1bersamaan dengan halaju mutlak dari kesan hentaman iaitu:

'1= 2 (6.37)

dimana pekali halaju, Cv≈ 0.95 to 0.98

Halaju relatif pada masukkan,

(

' −

)

= 1

1 (6.38)

dimana = Halaju sisian pada roda pusingan

Halaju relatif pada keluaran,

1 2

2 =' − = (6.39)

dimana k adalah pemalar bagi kehilangan pusingan. Jika k = 1 maka v1= v2

u

V1

Vu1

Masukan Keluaran

No 1 dan 2 boleh menjadi m dan p iaitu model (m) dan prototaip (p)

Sudut timba, β bersamaan dengan sudut balikan jet dan biasanya sudut mencapah

β’ = (180 – β) (6.40)

Daya ( ) adalah daya yang bertindak terhadap timba dalam arah –x )

Kuasa dipindahkan kepada timba (kuasa mekanikal) )

Turus yang dihasilkan,

)

Faktor halaju/Nisbah halaju

2

dimana φ berada didalam julat 0.43 to 0.47

" %

Model biasa digunakan dalam mengkaji atau merekabentuk turbin. Keserupaan geometri adalah asas yang terpenting dalam membandingkan antara 2 turbin

". % % %

(a) Kelajuan unit

Kelajuan unit, Nu adalah kelajuan bagi turbin yang serupa dari segi geometri dan beroperasi pada turus 1 m

$

$ = (6.50)

Jika dibuat perbandingan antara 2 turbin yang geometrinya sama maka N1 α H11/2

N2 α H2 1/2

Oleh itu, 1 1

$

2 2

$

= (6.51)

(b) Kadar alir Unit

Kadar alir Unit, Qu adalah kadar alir bagi turbin yang serupa dari segi geometri dan

beroperasi pada turus 1 m

= (6.52)

Jika dibuat perbandingan antara 2 turbin yang geometrinya sama maka Q1 α H11/2

Q2 α H21/2

Oleh itu, 1 1

2 2

= (6.53)

(c) Kuasa Unit

Kuasa Unit, Puialah kuasa bagi turbin yang serupa dari segi geometrik dan beroperasi pada turus 1 m

2 / 3

)

) = (6.54)

Jika dibuat perbandingan antara 2 turbin yang geometrinya sama maka P1 α H13/2

P2 α H23/2

(1 12 *4

Turbin dedenyut Pelton telah dipasang dengan sepasang juntaian untuk mencapai 3000 kW ketika turus bersih 270 m. Jika kecekapan keseluruhan adalah 0.9, kirakan

(i) diameter nozel (ii) Nisbah halaju

(iii) Halaju tentu (Cv= 0.95)

(ii) Halaju sisian bagi timba,

60

(iii) Halaju tentu

(1 12 ,4

Turbin Pelton beroperasi pada turus 45 m dengan kadaralir 0.8 m3/s. Halaju timba diberi sebagai 14 m/s. Kirakan kecekapan keseluruhan dan kuasa yang terhasil apabila pancutan jet mengenai timba pada sudut 165o. Andaikan pekali halaju = 0.985 dan kecekapan mekanikal = 0.95

3 4

Sebuah turbin mencapai kuasa sebanyak 8,000 kW apabila beroperasi pada 100 rpm dan ketika itu turus turbin tersebut adalah 30 m. Jika turus turbin menurun sebanyak 18 m, kirakan halaju dan kuasa yang dicapai oleh turbin tersebut.

3

Ketika H1= 30 maka P1= 8,000 kW, N1=100 rpm

Ketika H2= 18 P2? N2?

Bagi keserupaan geometri,

Kuasa unit ) = )_3/2

Rajah 6.18 Peratus Kecekapan Turbin

Di dalam memilih turbin yang sesuai digunakan untuk sesuatu operasi, peratus kecekapan dalam menghasilkan kadar keluaran yang maksimum amat diperlukan. Walaupun terdapat perbezaan proses kerja, kecekapan turbin dapat dilakarkan seperti di Rajah 7.18 yang menunjukan kadar keluaran melawan kecekapan dalam bentuk peratus. Turbin Pelton dapat menghasilkan kecekapan maksimum 89% pada kadar keluaran 40% hingga 70% sebelum berlaku penurunan kecekapan sebanyak 2% 3%. Turbin Francis dan Pemutar menghasilkan kecekapan maksimum melebihi 90% pada kadar keluaran 90% sebelum jatuh sebanyak 90% pada kadar keluaran 100%. Namun begitu, turbin Francis dapat menghasilkan kecekapan 15% lebih baik daripada turbin Pemutar pada keluaran 20%. Turbin Kaplan dapat menghasilkan kecekapan maksimum pada keluaran 30% 90% dengan melebihi 90%. Turbin ini akan yang paling tinggi

Jenis turbin

Dedenyut Pelton

Francis Pemutar Kaplan

tahap kecekapannya walaupun agak lambat mencapai maksimum jika dibandingkan dengan turbin Pelton.

"0 !!

%

1) Sebuah pam empar berupaya menaikkan air setinggi 37 m (turus sebenar) dan kecekapan manometer pam ini ialah 0.80. Paip hantaran dan paip penyedutan adalah berdiameter sama, iaitu 15 cm. Diameter pendorong 0

dibahagian keluar ialah 38 cm dan lebarnya 2.5 cm. Sudut bilah di bahagian keluar ialah 25º. Untuk menaikkan air setinggi itu, pam diputarkan selaju 1320 rpm. Jika penyusutan seluruh paip akibat geseran ialah 9.12 m, tentukan kadar luahan pam.

2) Paip yang berdiameter 15 cm (4f = 0.02) dengan panjang 300m menerima air yang melaluinya dari tangki simpanan air serta aras ketinggian air dipermukaan adalah 150m dan aras kedudukan nozel adalah 90m. Jet daripada nozel digunakan untuk menggerakkan turbin impul yang kecil. Jika turus kurang daripada nozel/muncung boleh mangganggap 0.04V1²/2g, dapatkan diameter jet tersebut untuk memperolehi nilai maksimum kuasa jet itu. Abaikan turus yang kurang apabila memasuki paip ke tangki simpanan. Kirakan kuasa jet tersebut.

3) Sebuah pam empar meluahkan 7m³/min air pada putaran 1200 rpm. Berupay menaikan air setinggi 16 m. Ukuran diameter pendorong dan luas bahagian aliran dibahagian luar masing masing ialah 25 cm dan 465 cm². Air memasuki pam tanpa pusaran dan jumlah kesusutan akibat geseran ialah 0.003V12m, dan V1 merupakan halaju mutlak aliran yang meninggalkan pendesak. Tentukan sudut bilah di bahagian keluar jika bilah pendorong tersebut jenis melengkung ke belakang.

4) Sebuah pam empar dengan ukuran diameter paip sedutan dan paip hantaran yang sama iaitu 100 mm. Pam ini mempunyai turus sedut dan turus hantar masing masing dengan ketinggian 2.5 m dan 28 m manakala panjang paip sedut dan paip hantar masing masing ialah 3.5 m dan 22 m. Diberi diameter pendorong ialah 30 cm dengan lebar 2 cm. Ketika pam diputar pada 1400 rpm, air masuk secara jejarian dan sudut bilah pendesak pada bahagian keluar ialah 26º. Tentukan kadar aliran pam dan kuasa yang perlu untuk pam ini apabila kecekapan hidraulik dan mekanik pam ini masing masing ialah 0.75 dan 0.88. (Pekali geseran dalam setiap paip ialah = 0.025)

5) Sebuah pam menghantar 76 l/min air pada turus 12 m dengan putaran setinggi 3600 p.s.m apabila suhu air ialah 10 ºC. Tentukan suhu air yang diperlukan untuk menghasilkan satu keserupaan lengkap, jika pam harus diputar selaju 1800 rpm. Tentukan juga kadar alir, turus dan juga laju tentu pada kedua dua keadaan kerja tadi.

terendah pam ini untuk menghasilkan turus setinggi 6m, jika nisbah garis pusatnya 2. Tentukan juga kuasa yang perlu dan juga kecekapan manometernya.

7) Dua buah pam yang serupa iaitu pam A & B telah beroperasi dengan kelajuan yang sama iaitu 60 rpm. Pam A mempunyai pendesak berdiameter 50 cm dan mengalirkan air dengan kadar 0.4 m3/s dibawah turus bersih 50 cm. Kirakan saiz pam B dan turus bersihnya jika pam tersebut mengalir air dengan kadar 0.3 m3/s.

8) Jika turbin Francis mengeluarkan 6700 kW pada 300 rpm dibawah turus bersih 40 m dengan kecekapan keseluruhan 80%. Berapakah nilai bagi pusingan perminit dan kadaralir pada turbin yang sama dibawah turus bersih 50 m didalam situasi homolog.

9) Turbin Pelton beroperasi pada turus 45 m dengan kadaralir 0.8 m3/s. Halaju timba diberi sebagai 14 m/s. Kirakan kecekapan keseluruhan dan kuasa yang terhasil apabila pancutan jet mengenai timba pada sudut 165o. Andaikan pekali halaju = 0.985 dan kecekapan mekanikal = 0.95.

10) Semasa turbin Pelton berputar, hentaman jet telah memesongkan sudut sebanyak 170o. Diberi halaju permulaan jet adalah 96 m/s dan halaju sisian pada putaran adalah 44 m/s. Kirakan tenaga kinetik ketika jet meninggalkan timba dan arah halaju mutlak pada keluaran timba.

11) Sebuah pam empar yang mempunyai pendesak yang berdiameter 30 cm dan ram dibahagian luar adalah berjejarian. Jika halaju pusingan diberi sebanyak 1450 rpm, kirakan turus bersih yang dicapai. Andaikan kecekapan manometrik adalah 0.82.

12) Turbin Francis berdiameter 3.0 m menghasilkan kuasa sebanyak 6760 kW pada halaju 310 rpm dibawah turus bersih 47 m. Keserupaan geometrik model pada nisbah 1: 10 telah diuji pada turus 9 m. Kirakan saiz, halaju, kadaralir dan kuasa yang diperolehi daripada model? Berapakah halaju tentu model tersebut? Andaikan kecekapan keseluruhan 0.85 pada model dan prototaip.

13) Sebuah turbin mencapai kuasa sebanyak 6,000 kW apabila beroperasi pada 80 rpm dan ketika itu turus turbin tersebut adalah 20 m. Jika turus turbin menurun sebanyak 12 m, kirakan halaju dan kuasa yang dicapai oleh turbin tersebut.