TURBIN AIR. Turbin air mengubah energi kinetik. mekanik. Energi kinetik dari air tergantung dari massa dan ketinggian air. Sementara. dan ketinggian.

MESIN

MESIN--MESIN MESIN FLUIDA

FLUIDA

TURBIN AIR

TURBIN AIR

TURBIN AIR

Turbin air mengubah energi kinetik dan potensial dari air menjadi tenaga dan potensial dari air menjadi tenaga mekanik. Energi kinetik dari air tergantung dari massa dan ketinggian air. Sementara ene gi potensial te gant ng da i j mlah ai energi potensial tergantung dari jumlah air dan ketinggian.

Diklasifikasikan sebagai berikut :

a. Jumlah air yang melimpah dan head tinggi b Jumlah air yang sedikit dan head tinggi

b. Jumlah air yang sedikit dan head tinggi

c. Jumlah air yang melimpah dan head rendah

d. Jumlah air sedikit pada head rendah

KLASIFIKASI DARI TURBIN

1. Berdasarkan gerak air pada sudu yang bergerak a. Turbin Impul :

E i t k l h di b h j di i

Energi tekanan seluruhnya diubah menjadi energi kinetik, air menumbuk sudu pada tekanan atmosfer sehingga tidak ada perubahan tekaanan antara inlet dan gg p outlet. Turbin ini juga disebut sebagai “ Velocity Turbine”

b. Turbin reaksi :

k b d k k d l d

Bekerja berdasarkan tekanan pada inlet dan outlet dari turbin “pressure turbin” energi

kinetik dan tekanan memutar sudu

turbin

2. Berdasarkan nama penemu

•

Pelton wheel, Turgo, Girard, Banki T. Impuls

•

Francis, Kaplan, Thomson T. Reaksi

3. Berdasarkan Head dan jumlah air yang tersedia :

•High head ( >200m ) jumlah air sedikit contohnya : turbin impuls ( Pelton)

•Medium head ( 30 200m ) jumlah air sedang

•Medium head ( 30-200m ), jumlah air sedang , contohnya : turbin reaksi (Francis)

•Low Head ( <30m ), jumlah air besar

contohnya : turbin reaksi ( Kaplan, turbin propeller )

4. Berdasarkan posisi poros :

ib d k j di d i

Dibedakan menjadi dua yaitu

• mendatar (pelton) dan

• vertikal (Kaplan, francis) ( p , )

5. Berdasarkan arah aliran dalam runner :

a. Radial flow : air yang mengalir dalam arah radial (inward / outward).

b. Tangensial flow : air mengenai runner dalam arah tangensial contohnya turbin Pelton.

c. Axial flow : air masuk dan keluar runner / poros c. Axial flow : air masuk dan keluar runner / poros

turbin.

d. Mixed flow : air masuk radial dan keluar aksial.

6. Kecepatan Spesifik :

Kecepatan spesifik ialah dasar untuk menentukan besaran-besaran selanjutnya. Jadi untuk mendapatkan tinggi air jatuh yang maksimum, jumlah sudu roda tinggi air jatuh yang maksimum, jumlah sudu roda turbin, perbandingan b/D ( lebar roda/Diameter roda ), randemen yang diharapkan, kondisi kerja turbin.

Kecepatan spesifik ini sangat penting untuk Kecepatan spesifik ini sangat penting untuk konstruktor, sebab jika kita mengetahui kecepatan spesifik maka secara garis besar dapat diketahui pula kondisi turbin secara keseluruhan

Turbin air berdasarkan kecepatan spesifiknya : 1. 10 – 35 : Turbin Pelton (single jet) 1. 10 35 : Turbin Pelton (single jet)

10 – 50 : Turbin Pelton ( double jet) 2. 50 – 300 : Turbin Francis

3 300 1000 : Turbin Kaplan

3. 300 – 1000 : Turbin Kaplan

TURBIN PELTON

Turbin ini pertama kali ditemukan oleh insinyur dari Amerika yaitu Lester A. Pelton pada tahun 1880.

turbin ini dioperasikan pada head sampai 1800 m turbin ini dioperasikan pada head sampai 1800 m, turbin ini relatif membutuhkan jumlah air lebih sedikit dan biasanya porosnya dalam posisi mendatar.

Air mengalir dalam “penstock”( pipa pesat ), sampai ujung bawah masuk nosel ( energi kinetic naik ), keluar mengenai sudu-sudu ( yang terpasang pada “runner”).

Pengaturan jumlah air dapat dengan regulator / governor (untuk instalasi yang besar) atau governor (untuk instalasi yang besar) atau dengan tangan /manual (instalasi yang kecil)

Komponen Utama dari pelton

1. Nozzle, Energi tekanan dari air pada reservoir sewaktu melewati penstock sebagian dirubah menjadi penstock sebagian dirubah menjadi energi kinetik dan energi kinetik ini makin lama meningkat oleh karena nozzle pada tekanan atmosfer pada nozzle pada tekanan atmosfer pada casing.

Ketika air menabrak buckets maka dihasilkan energi mekanik. Untuk turbin dengan kapasitas yang kecil menggunakan single jet. Dan untuk turbin yang memproduksi tenaga besar, jumlah jet harus lebih banyak.

2. Buckets, buckets dari pelton wheel mempunyai bentuk double hemispherical cup.Pancaran dari air yang datang mengenai bucket bagian tengah yang ada

i h t b i j di d

pemisahnya terbagi menjadi dua bagian dan setelah meluncur pada pemukaan bagian dalam bucket berubah 160 sampai 170 lalu berubah 160 sampai 170 lalu meninggalkan bucket.

Buckets

Buckets ini terbuat dari cast iron (head rendah), Cast steel atau dari stainless steel (head tinggi). Permukaan bagian dalam di poles( gg ) g p sedemikian rupa untuk menghindari gesekan yang besar.

3. Casing. Berfungsi untuk menghindari deburan air, serta untuk

hk i k t il d b i k

mengarahkan air ke tail race dan sebagai keamanan.

4. Rem Hidrolik. Untuk menghentikan turbin, walaupun pancaran air telah berhenti, runner tetap akan berputar untuk waktu yang lama.

Untuk menghentikannya diperlukan rem nozzle yang kecil, dimana arah air dari rem ini berlawanan arah dengan putaran runner.

Kerja oleh Pelton Wheel.

V = Kecepatan horizontal jet

u = kecepatan dari bucket di inlet D = Diameter dari pitch circle

V_r &V_r1 = Kecepatan relative pada inlet dan outlet V_f1 = Kecepatan sekeliling aliran pada outlet

V K t t d tl t

Vw₁ = Kecepatan putaran pada outlet

Φ = Sudut dari bucket pada outlet dengan tangent U₁ = Kecepatan sekeliling dari outlet

U = u karena inlet dan outlet bucket punya jarak yang U₁ = u, karena inlet dan outlet bucket punya jarak yang

sama dari pusat poros

V1 = Kecepatan Abs. air pada outlet dan membentuk sudut β dengan wheel tangent

sudut β dengan wheel tangent

(1) Inlet velocity diagram

Ketika air masuk secara tangensial karena itu pada

di k t dit j kk i l ti b

diagram kecepatan ditunjukkan garis lurus seperti gambar diatas. θ = 0 dan β = 0

V_r = V – u

V = V = 2gH V_w = V =

Vf = 0

gH 2

(2) Outlet velocity diagram

Sewaktu air melewati permukaan melengkung dari bucket, Vr1 <<< Vr mengacu pada kerugian gesek dang p g g oleh karena itu Vr1 = kVr, akan tetapi secara umum rugi gesek ini diabaikan.

Vr1 = Vr

Dan Vw1 = Vr1 cos Φ - u1

Vw1 = Vr1 cos Φ – u

(3) Kerja yang dilakukan

Ketika Vwt ialah –ve , maka kerja oleh Pelton wheel

= ^{1 1} kg /sec g

u V g

u

V_{w w}

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ +

Tetapi u1 = u1 Jadi kerja =

⎭⎬

⎫

⎩⎨

⎧ Φ −

+ g

u u V

g u

V_w ( _r cos )

⎭

⎩ g g

=

[ ]

g

u u u

V g

u

V − Φ

+ ( ) cos .

g g

g u

V . ( )

g

u u

u

V − cos Φ −

²

= =

=

[ ( ^{V − u} ) ( ^{+ V − u} ) ^{cos Φ} ]

g

u

₌

( ^{V − u} )( ^{1 + cos Φ} )

g

u

(4) Eff. Hidrolik η

/ D

=

W

sec /

. .

sec /

. .

darijet E

K

D W

η_h =

( )( )

V u g V

u 1 cos

2

Φ +

−

=

( )( )

2

cos 1

2

V u V

u − + Φ

g V

2

V

Untuk mencari kondisi maksimum ηh diturunkan terhadap u = nolη p

du

d η ( ) ( )

cos 0 1

2

2

2

=

⎭ ⎬

⎫

⎩ ⎨

⎧ − + Φ

V u Vu du

=

d

( )( )

2

cos 1

2 2

V u

V − + Φ

= 0

(5) Effisiensi Maximum.

( ² )( ¹ )

2 ( )( + Φ )

4

2

cos 1

2 2

u u u

u − + Φ

=

=

( ^{1 + cos Φ} )

2 1

Effisiensi maximum = 100% atau 1 ketika Φ = 0˚, akan tetapi kenyataan tidak mungkin tercapai untuk mencapai Φ = 0˚.

Effisiensi maximum berkisar 90% 95%

Effisiensi maximum berkisar 90% - 95%

Jumlah bucket dari Pelton Wheel

Z = Jumlah Bucket

R = Mean radius dari bucket

γ = Sudut antara

γ Sudut antara

2 bucket

d = Dia. dari jet

Depth dari bucket = 1,2 d

Ketika posisi bucket seperti gambar, bucket 2 telah mencapai posisi P dan

d h l l h b k d

yang terdahulu ialah bucket 1 pada Q diatas P, bagian air mengenai bagian kanan bucket 2 kemudian menumbuk bucket 1

bucket 1.

ketika kecepatan dari jet mencapai 2 kali kecepatan dari bucket, maka posisi P akan berubah ke S dan pada waktu yang sama bucket Q berubah ke posisi

Mengacu pada ΔOPQ OP =

1

2 + 1

B

depth of bucket =R + 0,6 d

OQ =

2

+ 1

R

dia of jet = R + 0,5 d

2

Cos γ =

d R

d R

6 , 0

5 , 0 +

+ ,

….1

Dari persamaan 1 sudut dari γ dapat ditentukan dan jumlah dari bucket, Z =

360

Z =

γ

Hubungan empiris untuk jumlah bucket

⎞

⎛ ^D

Z =

0 , 5 ⎟ + 15

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ d

D

_{Z =}

d

4 D

,

5

Working Proporsion

(1) k t k lili d i h l (1) kecepatan sekeliling dari wheel,

gH 2 44 ,

0 ^{0 , 46 2 gH}

u = to

rasio

gH u

2 sebagai rasio kecepatan = 0,44 – 0,46 (2) Sudut bagian ujung dari bucket Φ =10˚ sampai 20˚

(3) Rasio D/d ialah jet rasio ( 11 sampai 18) (4) Lebar dari bucket = 3d sampai 5d

(5) Kedalaman bucket = 1,2 d

⎞

(6) Jumlah dari bucket, Z = 0,5⎛ D⎟ +15

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ d D

Effisiensi dari Pelton Wheel (a) Effisiensi hidrolis

V V

2

2 1 2−

η_H =

H g 2

ialah hidrolis input nosel. Jika CV = 1 maka H =

V 2

2

g 2

dapat juga η_H =

( )

75 2 /

2 1 2

WH g

V W V −

75 WH

catatan : input turbin

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ −

− V = V u V u V

² ₁² _{w w1 1}

2 ⎟

⎜ ⎠

⎝ g g

g

2

(b) effisiensi mekanik

ηmech = kerja poros / kerja oleh wheel

= S.H.P atau B.H.P / H.P dari wheel /

=

( )

75 . .

1 1u V u V g W

P H B

w w −

75 g

(c) effisiensi keseluruhan ηO = ηH X ηmech

Tipe lain dari turbin impuls (a) Turbin Jonval

Merupakan turbin dengan aliran aksial. Terdiri dari 1 buah horizontal ring moving blade. Air diarahkan oleh ring ini. Arah aliran air dikontrol oleh horizontal sluice.

Turbin Jonval

(b) Turbin Girard

Mempunyai 2 tipe : (i) aksila fl (ii) di l fl Di k t k h d flow (ii) radial flow. Digunakan untuk head 500 m dan mempunyai effisiensi keseluruhan 75%. Turbin ini mirip dengan turbin jonval

turbin jonval.

Turbin Girard

(c) Turbin Turgo

Dipergunakan untuk head 280 m dan kecepatan 2000 r p m Pada turbin tipe ini kecepatan 2000 r.p.m . Pada turbin tipe ini air disuplai ke runner melalui nosel. Turbin tipe ini mempunya runner dengan diameter kecil

kecil.

d) Turbin Banki

M k t bi d li di l S ti d b

Merupakan turbin dengan aliran radial. Seperti pada gambar air datang dari nosel N, kemudian menumbuk sudu A dan setelah melakukan kerja, kemudian menabrak sudu B, lalu meninggalkan turbin.

Turbin ini mempunyai tingkat effisiensi 80 90 % Turbin ini mempunyai tingkat effisiensi 80 – 90 %