PETUNJUK TEKNIS RANCANG BANGUN
TURBIN PELTON MIKRO
Oleh : Ahmad Suhendra, Ir
ahmad.suhendra@gmail.com
I. TINJAUAN UMUMTurbin pelton mikro merupakan salah satu turbin air pembangkit listrik yang dibanyak negara dan telah dimanfaatkan secara luas misalnya dalam mendukung usaha budidaya dan industri pertanian, terutama pada lokasi yang sukar (belum ada fasilitas infra struktur yang memadai).
Turbin pelton termasuk turbin impuls dimana putaran terjadi karena pembelokan pancaran air pada mangkok ganda, sehingga dapat disebut juga turbin pancaran bebas. Turbin ini menempati urutan ke dua setelah turbin aliran silang (Crossflow) dalam hal kemudahan dalam pembuatannya.
II. PERHITUNGAN DIMENSI UTAMA II.1. Rumus matematis yang digunakan
Dimensi turbin pelton dapat dicari melalui rumus-rumus perhitungan yang cukup tersedia dibeberapa literatur, adapun rumus-rumus yang banyak digunakan dalam rancang bangun turbin pelton mikro seperti yang terlihat pada tabel-1, dibawah ini :
No Keterangan Notasi Nilai/Harga Ref/page
1 Density ρ 1000 kg/m3 7/14
2 Konstanta Gravitasi g 9,8 m/det2 7/14
3 Head Netto (meter) Hnet Hasil pengukuran dan perhitungan
4 Debit (m3/det) Q Hasil pengukuran
5 Power Netto (Kilowatt) Pnet Pnet =( ρ *g* eff. totalŋT *Q* ∆Hnet)/1000 1/19
6 Kecepatan spesifik ns (ns) =3,65 x Nt x Q0,5x H-0,75 3/58
7 Putaran Turbin (rpm) Nt Ditentukan
8 Putaran Generator (rpm) Ng Sesuai Spesifikasi produk generator
9 Kecepatan mutlak pancaran air (m/det) C1 (C1)= kc * (2 * g * Hnet)0,5 , kc=koef. Nossel (0,96-0,98)
5/7
10 Diameter jet /nossel (m) dj (dj)= (4 * Q / (π*C1))0,5 5/7
11 Diameter lubang sisip orifice (m) do (do)= 1,25 * dj 5/10
12 Diameter lingkaran tusuk (m) DLT (DLT)= 60*u1*(Ng/Nt)/ π*Ng 5/7-4/12
13 Kecept.Keliling optimal pada DLT (m/det) u1 (u1) = ku *(2*g*Hnet)0,5, ku (0,45-0,49) 5/7
14 Lebar mangkok (m) b (b)= ( 2,5 – 3,2) * dj 5/7
15 Kelonggaran cetakan k (k) = (0,1-0,17)* DLT 5/7
16 Jumlah mangkok (buah) z (z)= π *(DLT) / (2*dj) 5/7
17 Tinggi mangkok (m) h (h)= (2,1-2,7) * dj 5/7
18 Tinggi celah ujung mangkok (m) h1 (h1)= (0 - 0,35) * dj 5/7
19 Tinggi dari ujung celah ke pusat mangkok (m)
h2 (h2)= (0,85 – 1,5) * dj 5/7
20 Kedalaman mangkok (m) t (t)= 0,9 * dj 5/7
21 Lebar bukaan mangkok (m) a (a)= 1,2 * dj 5/7
22 Diameter luar ranner (m) Do (Do)= (DLT) + 1,2 * h 5/7
23 Gaya pancar air terhadap mangkok (kg) F (F)= 2 * ρ * 0,1 * Q * C1 5/7 Tabel-1 Rumus Matematis
1 Nosel
4 Nosel
2 Nosel
6 Nosel
Crossflow
Francis
Kaplan
Pelton
1 Nosel
4 Nosel
2 Nosel
6 Nosel
Crossflow
Francis
Kaplan
Pelton
grafik-1 Kisaran pengunaan turbin (H vs ns) Ref 4 /p60
II.2. Tahapan Perhitungan dan Perancangan 1. Head Netto (Tinggi terjun bersih)
Hgross (tinggi terjun kotor), didapat dari hasil pengukuran awal yaitu perbedaan antara muka air bak (reservoar) dan muka air saluran pembuangan. Sedangkan H netto (turbin impuls/pelton) adalah perbedaan tinggi energi antara muka air bak dan tempat dimana air menumbuk daun turbin. Jika nilai Hnet belum diperoleh maka kita tidak dapat menghitung Power netto (Pnet).
Hnet = Hgross – hL (total rugi tingi)…. Ref 4/p38
hL = hf + he + hv + ho hf = Rugi tinggi akibat friksi
untuk turbin pelton, karena H sangat tinggi maka:
hv = Rugi tinggi di valve,dpt diabaikan ho = Rugi tinggi lain-lain dpt diabaikan
Untuk memudahkan proses perhitungan, total rugi tinggi di pemipaan yang diperbolehkan umumnya berkisar 7,5 -10 % dari Hgross( hL/Hgross < 10 %) dengan demikian Hnet dapat dihitung, tetapi dengan ditentukannya nilai (hL) total rugi tinggi di pemipaan maka akan mempengaruhi pemilihan jenis dan diameter pipa pesat.(akan dijelaskan pada tulisan “petunjuk teknis pemilihan pipa pesat”)
2. Debit air
Pengukuran debit air (Q) , sebaiknya dilakukan pada musim kemarau dan umumnya para perancang PLTMH mengambil (Q) disain sebesar 20 % diatas debit kemarau , karena diharapkan turbin masih dapat beroperasi dengan kapasitas 80 % dari disain/rancangan. Pengukuran pada saat musim kemarau sangat menguntungkan bagi perencanaan PLTMH karena tidak perlu mengukur debit air sepanjang satu tahun, luas daerah tangkapan hujan dsb seperti pada perancangan PLTA yang menggunakan bendungan.
3. Power Netto (Pnet)
Power netto adalah daya yang dikeluarkan setelah dikalikan dengan effisiensi total ( ŋT), yang terdiri dari ; eff. Turbin ( ŋt =0,7-0,8),dan eff.Generator( ŋg = 0,8 ), tetapi bila antara turbin dan generator tidak terhubung langsung (mis menggunakan belt) maka ada eff. Mekanis ( ŋm = 0,8-0,98). Dalam perancangan PLTMH biasanya nilai eff.total (ŋT )berkisar antara 0,5-0,6..Ref 5/p11
Pnet juga dikenal dengan power output netto dari generator terpasang. Biasanya generator memiliki standar kenaikan KVa yang berbeda untuk setiap merek mis: siemens, denyo, Avk, dll.
Dalam pemilihannya diusahakan (PKVa) Generator lebih besar sedikit (> ) dari 1,2 x (PnetKw) dan mendekati standar KVa yang ditawarkan produsen generator.
Dalam disain, (Pnet) dapat ditentukan langsung atau dihitung dengan mengatur nilai Hnet dan Debit air (Q), pengaturan nilai (Hnet) dan (Q )harus mempertimbangkan (ns) Kecepatan spesifik. 4. Kecepatan Spesifik (ns)
Kecepatan Spesifik merupakan suatu istilah untuk mengelompokan turbin-turbin atas unjuk kerja dan ukuran perimbangannya, tanpa melihat besar ukuran nyata atau kecepatan kerjanya. Kecepatan spesifik adalah kecepatan dalam satuan rpm (putaran per menit) suatu turbin khayal yang dalam segala halnya serupa benar dengan turbin sesungguhnya dan mampu mengangkat 75 kg air/det hingga ketinggian 1 meter.Rumus matematis dapat dilihat pada tabel-1, dengan memasukan nilai Q , Hnet dan putaran turbin ( Nt) maka dapat dihitung nilai ns.
Nilai ns – lihat grafik-1 jika tidak sesuai kisaran kerja turbin pelton (ulangi masukan Nt)
ns =3,65 x Nt x Q
0,5555x H
-0,75diketahui > 40 meter (terbatas /kondisi alam) diketahui ( terbatas / kondisi alam)
Tentukan putaran turbin (dapat diatur)
5. Putaran Turbin (Nt) dan Putaran Generator (Ng)
Putaran turbin dapat diseting lebih besar ( >) atau lebih kecil (<) dari putaran generator, tinggal diatur rasio pulley nya, sedangkan putaran generator (Ng =120* frekwensi / jml kutub, Ref 1/p25) rpm sudah tertentu sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan.
6. Diameter jet (dj) dan Diameter nossel (do)
Jika Nilai H net, Q, ns sudah sesuai dengan kisaran turbin pelton, maka perhitungan selanjutnya adalah menentukan dimensi utama seperti , dj, do, DLT, b,z,h,h1,h2 dst dengan mempergunakan persamaan matematis yang terdapat dalm tabel-1.
Diameter jet (dj) adalah diameter pancaran air yang keluar dari nossel berdiameter (do = d- lubang sisip orifice), dalam perancangan kadang-kadang jarum orifice tidak diperlukan untuk membuka dan menutup nossel akan tetapi hanya dipasang valve saja (Gate valve). Bila digunakan jarum nossel (orifice) maka ukurannya dapat dibuat seperti yang terlihat pada gambar-3 dibawah ini :
7. DLT (Diameter Lingkaran Tusuk)
Dengan tinggi terjun (Hnet) dan DLT yang diketahui maka putaran turbin (Nt) tertentu maka dalam pembuatan ranner dapat dibuat menjadi beberapa ukuran DLT standar tanpa mempengaruhi effisiensi turbin, jadi dengan DLT yang ditentukan akan mempunyai banyak variasi kecepatan putaran turbin, tergantung tinggi terjun (Hnet), lihat rumus matematis no:12 dan 13 pada tabel-1
8. Diameter as (shaft)
Diameter as (shaft) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan yang sudah di sesuaikan dalam SI :
dshaft =[N* L * (W*L)0,5/ (21.094.887)]0,5………..Ref 2/ p174 dimana :
N = Putaran kritis berkisar antara 1,6 – 2,2 putaran nominal (rpm) …Ref 1/ 68
L = Panjang shaft (meter) W = Berat ranner (kg) Dshaft = Diameter shaft (meter)
9. Lebar Rumah Turbin
Lebar rumah turbin umumnya didisain berkisar empat kali lebar mangkok : L R.turbin = 4 * b (lebar mangkok)
JARUM ORIFICE
NOSSEL
III. GAMBAR DIMENSI UTAMA MANGKOK
Gambar-4 Dimensi Utama Mangkok
IV. DAFTAR PUSTAKA
1. Artono Arismunandar,” Teknik Tenaga Listrik “ jilid 1, Pradnya Paramita, Jakarta 1991 2. Arnanto Witarso ,”Perhitungan Pintas” ,jilid 1, ed-1, Dabara Publisher, Solo 1994 3. Casio FX 1500 P, “ Owner’s Manual’, Japan 1995
4. Edy Sunarto, dkk,” Pedoman Rekayasa Tenaga Air”, Buku-2,UPT Hidro Elektris BPPT, Jakarta 1991 5. Mardjono dan Susmanto”, Menuju Desa Tahun 2000”, Yayasan Pangeran Jayakarta, Jakarta 1998 6. M. Edy Sunarto dan Markus Einsering”, Turbin Pelton Mikro”, MHPG Andi Offset Yogyakarta 1992 7. Patty O.F,” Tenaga Air “, Ed-1, Erlangga, Jakarta 1995
8. Yayasan Mandiri,” Micro Hydro Power Project Indonesia “, Bandung Januari 1995
