Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 1
Perancangan Turbin Pelton
Anjar Susatyo, Lukman Hakim
Puslit Tenaga Listrik dan Mekatronik-LIPI
ABSTRAK
Turbin Pelton adalah turbin reaksi di mana satu atau lebih pancaran air menumbuk roda yang terdapat sejumlah mangkok. Masing-Masing pancaran keluar melalui nozzle dengan valve untuk mengatur aliran. Turbin pelton hanya digunakan untuk head tinggi. Nozzel turbin berada searah dengan piringan runner. Pada penelitian ini dilakukan perhitungan untuk mendapatkan dimensi mangkok runner turbin pelton. Mangkok runner ini dirancang agar dapat menerima energi kinetik dan mengambil energi tersebut menjadi torsi pada poros generator.
ABSTRACT
Pelton turbine is a reaction turbine in which one or more water stream strikes a wheel that is equipped with several bowls. Each stream is shot out through a nozzle and valves regulate each stream flow. Pelton turbine can only be used for high head. Turbine nozzle is aligned with the disc runner. In this research calculation was conducted to obtain Pelton turbine runner bowl dimension. Runner bowl is designed so as to enable the conversion of kinetic energy received into torque at generator shaft.
PENDAHULUAN Latar Belakang
Kebutuhan energi listrik dewasa ini kian meningkat, berbagai upaya terus dilakukan baik dengan mencari potensi energi baru ataupun dengan mengembangkan teknologinya. Selain dari kebutuhan energi listrik meningkat, juga terdapat daerah yang kondisi geografisnya tidak memungkinkan jaringan listrik sampai kepada konsumen. Maka dari permasalahan tersebut dilakukanlah suatu upaya untuk menyuplai kebutuhan energi listrik dengan memanfaatkan kondisi dan potensi yang ada pada daerah tersebut. Misalkan ada suatu daerah yang memiliki potensial air yang headnya mencukupi untuk dibuat pembangkit listrik, maka didaerah tersebut dapat dipasang pembangkit tenaga listrik yang
2 Pemaparan Hasil Litbang 2003 menyesuaikan dengan besar kecilnya head yang tersedia. Atau potensi-potensi alam yang lain yang memungkinkan untuk dibangunnya pembangkit tenaga listrik.
Dengan keadaan geografis daerah-daerah di Indonesia yang memiliki potensi air dengan head yang memadai untuk sebuah pembangkit berskala kecil, maka dengan kondisi tersebut banyak dikembangkan teknologi pembangkit-pembangkit berskala kecil yang biasa dikenal sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH). Teknologi PLTMH ini terus dikembangkan baik dari segi peralatannya ataupun dari segi efisiensinya. PLTMH dibuat tergantung dari seberapa besar head air yang ada dan berapa besar energi listrik yang akan dihasilkan. Untuk PLTMH kapasitas daya energi listrik yang dihasilkannya dibawah 100Kw.
Berbagai teknologi pembangkit pun telah banyak diterapkan dalam PLTM baik dari sisi turbin dan instrumen. Di dalam turbin kita mengenal beberapa jenis turbin yang di pergunakan, kita dapat mempergunakan turbin francis, Kaplan atau pelton. Penggunaan turbin tersebut tergantung dari potensi head yang dimiliki. Seperti dalam hal ini turbin pelton yang menggunakan prinsip impuls memerlukan head yang cukup tinggi. Dikarenakan masih sedikitnya turbin pelton yang digunakan untuk PLTMH, maka atas dasar inilah turbin ini dibuat untuk keperluan penelitian lebih lanjut.
Tujuan
Tujuan yang ingin dicapai dalam perancangan ini adalah: 1. Mengindentifikasi pengaruh perubahan jumlah nozel 2. Mencermati efisiensi daya turbin pelton
3. Melihat pengaruh bentuk mangkok terhadap keluaran air
Rumusan Masalah
Pada penelitian ini difokuskan kepada perancangan turbin pelton baik dari segi bentuk sudu-sudunya, jumlah sudu, head dan debit air yang diperlukan. Sekaligus menganalisa pengaruh yang terjadi akibat penentuan dari hasil perancangan terhadap output dayanya sekaligus dengan efisiensi yang terjadi.
Batasan Masalah
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 3 o Pengukuran daya turbin yang dihasilkan
o Pengaruh perubahan jumlah nozel terhadap daya yang dihasilkan o Kapasitas head yang tersedia 30 meter konstan dan debit 0,02 m3/s
Metodologi
Metode penelitian yang dilakukan :
a. Observasi, yaitu melakukan observasi ke lapangan mengenai peralatan, bahan, dan komponen yang dibutuhkan dalam pembuatan alat.
b. Perancangan mangkok turbin pelton c. Pembuatan prototipe.
d. Pengujian lapangan.
DASAR TEORI Turbin Air
Turbin air adalah merupakan mesin penggerak yang merubah energi potensial menjadi energi mekanik dengan air sebagai fluida kerjanya. Menurut sejarahnya turbin hidrolik sekarang berasal dari kincir-kincir air pada jaman abad pertengahan yang dipakai untuk memecah batu bara dan keperluan pabrik gandum. Salah satu kincir air tersebut dapat dilihat di Aungrabad (India) yang telah berumur 400 tahun-an.
Daya Turbin
Daya turbin air ditentukan oleh besarnya debit air dan tinggi jatuh air (head) serta efisiensi dari turbin air tersebut. Daya turbin air ditentukan menurut persamaan sebagai berikut :]
1000
η
ρ× ×Η× ×
=
Ρ g Q
Di mana : P : daya turbin (watt)
ρ : massa jenis air (1000 kg/m³)
g : gravitasi (m/s²)
H : head (tinggi jatuh air) (m)
Q : debit (m³/s)
4 Pemaparan Hasil Litbang 2003
Efisiensi Turbin
Efisiensi turbin ditentukan oleh perbandingan daya hidraulik dengan daya poros turbin. Dalam bentuk persamaan adalah sebagai berikut :
% 100 × Ρ Ρ = Τ Η η atau ×100% × Η × × × Τ = Τ Q g ρ ω η
Di mana : PT : daya poros (watt) PH : daya hidraulik (watt)
T : torsi (Nm)
ω : kecepatan sudut (rad/s)
Jenis Turbin
Pengelompokkan jenis turbin dapat didasarkan dari cara kerjanya, konstruksinya (susunan poros dan pemasukkan air) dan kecepatan spesifiknya.
Jenis turbin menurut cara kerjanya
a. Turbin aksi atau turbin impuls
Turbin aksi atau impuls adalah turbin yang berputar karena adanya gaya impuls dari air. Yang termasuk kedalam turbin jenis ini yaitu turbin pelton.
b. Turbin reaksi
Pada turbin reaksi air masuk kedalam jaringan dalam keadaan bertekanan dan kemudian mengalir ke sudu. Sewaktu air mengalir ke sekeliling sudu piringan, turbin akan berputar penuh dan saluran belakang (tail race) akan terendam air seluruhnya. Tinggi angkat air sewaktu mengalir ke sekeliling sudu akan diubah menjadi tinggi angkat kecepatan dan akhirnya berkurang hingga tekanan atmosfer sebelum meninggalkan pringan turbin. Yang termasuk kedalam jenis ini adalah turbin francis dan kaplan.
Jenis turbin berdasarkan susunan poros
a. Turbin poros vertikal
Yang termasuk turbin jenis ini adalah turbin propeller dan turbin pelton. b. Turbin poros horizontal
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 5
Turbin Pelton
Pengenalan turbin pelton
Turbin pelton merupakan pengembangan dari turbin impuls yang ditemukan oleh S.N. Knight (1872) dan N.J. Colena (1873) dengan pasang mangkok-mangkok pada roda turbin. Setelah itu turbin impuls dikembangkan oleh orang amerika Lester G. Pelton (1880) yang melakukan perbaikan dengan penerapan mangkok ganda simetris, punggung membelah membagi jet menjadi dua paruh yang sama yang dibalikan menyamping.
Pada turbin pelton putaran terjadi akibat pembelokan pada mangkok ganda runner (lih. Gbr) oleh sebab itu turbin pelton disebut juga sebagai turbin pancaran bebas.
Turbin Pelton merupakan suatu jenis turbin yang mengandalkan suatu reaksi impuls dari suatu daya yang dihasilkan dari daya hidrolisis. Semakin tinggi head yang dimiliki maka semakin baik untuk turbin jenis ini. Walaupun ns (kecepatan spesifik) relatif kecil tapi memungkinkan untuk kecepatan yang tinggi dengan ketentuan jumlah nosel yang banyak dalam meningkatkan daya yang lebih tinggi. Sehingga jika putaran dari generator yang dikopel ke turbin semaki tinggi, maka generator yang digunakan akan semakin murah. Untuk lebih jelasnya bisa dilhat grafik berbagai jenis turbin antara Head dan ns-nya.
Dalam perancangan turbin pelton telah ada suatu ketentuan yang mengatur dari desain/rancangan turbin pelton secara baku.intinya kita tinggal menggunakan beberapa
6 Pemaparan Hasil Litbang 2003 parameter utama untuk menghasilkan dimensi yang lain. Dalam grafik di bawah ini akan ditunjukkan hubungan antara Head dengan ns juga jumlah nosel dan kisaran jumlah mangkok (sudu).
Tipe turbin pelton
Ada beberapa jenis turbin pelton menurut posisi turbinnya, yaitu :
1. Turbin Poros Horizontal ; turbin ini digunakan untuk head kecil hingga menengah. Makin bayak aliran air yang dibagi dalam arti makin banyak nosel yang digunakan, makin bisa dipertinggi pula pemilihan kecepatan turbin. Sedangkan makin cepat putaran turbin makin murah harga generatornya. Untuk dapat menghasilkan daya yang sama 1 group turbin dengan 2 roda akan lebih murah daripada dengan dua buah turbin yang masing-masing dengan satu buah roda.
2. Turbin Poros Vertikal ; Dengan bertambahnya daya yang harus dihasilkan turbin, maka untuk turbin pelton dilengkapi dengan 4 s/d 6 buah nosel. Sedangkan penggunaan 1 atau 2 buah pipa saluran air utama tergantung kepada keadaan tempat dan biya pengadaannya.
Dimensi utama turbin pelton
Standarisasi untuk penentuan suatu turbin pelton telah ditetapkan. Jadi untuk perancangan turbin pelton ini, cukup mengetahui dimensi dari diameter nosel (d) dan diameter lingkaran tusuk (Dlt).
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 7 n
Q ku Dlt =84,5× × Dimana : ku : Koefisien kecepatan (0,44-0,46)
Q : Debit (m3/s) H : Head (m)
Untuk mengetahui dimensi-dimensi lain dari turbin pelton khususnya pada bagian mangkoknya, dapat diketahui dari dimensi utama yaitu dengan mempergunakan diameter nosel (d) untuk lebih jelas lihat gambar berikut ini :
L = ( 2,3 – 2,8 ) . d β2I = 30 o - 40 o B = ( 2,8 – 3,4 ) .d β2II = 20 o - 30 o T = ( 0,6 – 0,9 ) . d β2III = 10 o - 20 o a = (0,95 – 1,05 ) . d β2IV = 5 o - 10 o b = (0,18 – 0,20 ) . d β2V = 0 o - 5 o β1 = 5 o - 7 o
Kisaran jumlah mangkok
Untuk menentukan kisaran mangkok dapat digunakan persamaan sebagai berikut : d D Z lt 2 × =π Di mana : Z : Kisaran jumlah mangkok
D lt : Diameter lingkaran tusuk (mm) d : diameter jet / nosel (mm)
8 Pemaparan Hasil Litbang 2003
Langkah pemodelan
Rumus-rumus di atas merupakan dimensi sebenarnya untuk turbin pelton tersebut, karena ada suatu keperluan untuk mengnalisa fenomena turbin pelton hal yang lebih baik dilakukan langkah pemodelan. Langkah ini di lakukan untuk mempermudah dan meringankan segala hal. Dengan pemodelan ini dapat dilakukan bebas dilakukan berbagai kondisi bisa melakukan perubahan Head, debit dan sebagainya. Yang perlu diingat bahwa pemodelan tidak mengurangi prisip kerja secara asli dari turbin yang telah kita rancang, karena kita mempergunakan prisip kesebangunan. Walaupun ukuran lebih kecil tapi pada dasarnya sama yang penting ns-nya harus tetap sama. Adapun rumus kesebangunan yang digunakan, yaitu :
Scala = =
Di mana : Dltp : Diamter lingkaran tusuk sebenarnya (mm) dp : diameter nosel sebenarnya (mm)
Dltm : Diamter lingkaran tusuk model (mm) dm : diameter nosel model (mm)
Nozzel
Dalam turbin pelton nosel merupakan hal penting dalam proses kerjannya, karena nosel memiliki fungsi utama dalam meningkatkan daya turbin. Karena turbin pelton memperoleh daya hidrolis menggunakan prinsip impuls aliran air dari nosel tersebut. Seperti yang telah dikemukakan di atas perubahan banyaknya nosel dapat meningkatkan daya yang akan di bangkitkan oleh turbin tersebut.
Suatu nosel mempunyai ukuran tertentu, dalam hal ini diameter nosel tersebut. Diamater nosel sangat berpengaruh kepada dimensi dari kontruksi turbin pelton secara keseluruhan (khususnya dalam dimensi sudu). Secara umum rumus nosel adalah sebagai berikut :
H Q d =0,54 di mana : d : diameter nosel (mm) Dltp dp Dltm dp
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 9
PERHITUNGAN DAN HASIL Perhitungan Dimensi Utama
Dalam mencari debit air dalam kasus ini dimisalkan ada suatu potensi air dengan head 30 m. dari head inilah kita dapat menentukan turbin yang akan dipakai. Sesuai dengan grafik ditentukan besaran sebagai berikut:
D/d = 60 , jumlah Nozel = 2 buah, didapat Ns (kecepatan spesifik) =6,56 1. Perhitungan pada Skala sebenarnya
a. Perhitungan Debit
Pada penentuan debit sesuai rumus yang ada maka kita harus memilih kecepatan sinkron generatornya sebesar 750 rpm. Maka debit yang dihasilkan adalah sebagai berikut :
75 , 0 H Q n Ns = 75 , 0 1200 750 56 , 6 = Q Q = 3,18 m3/s b. Perhitungan kecepatan pancaran air
Perhitungan ini diperlukan untuk mengetahui berapa kecepatan air dengan potensi head tertentu, sesuai rumus di atas maka di dapat :
H g C = 2× × 1200 8 , 9 2× × = C C = 23520 m/s c. Perhitungan kecepatan keliling optimum
Sesuai rumus didapatkan : 2 C U = 2 23520 = U U = 11760 m/s d. Perhitungan diameter jet (nozel)
10 Pemaparan Hasil Litbang 2003 H Q d =0,54 1200 18 , 3 54 , 0 = d d = 0,164 m e. Perhitungan kecepatan diameter lingkaran tusuk
Dengan menggunakan rumus di atas maka dapat diketahui sebgai berikut : n Q ku Dlt =84,5× × 750 1200 46 , 0 5 , 84 × × = lt D lt D = 17,95 mm 2. Langkah Pemodelan (Prototype)
Dari perhitungan skala sebenarnya di atas maka dapat dilakukan langkah selanjutnya yaitu langkah pemodelan. Langkah ini harus memiliki syarat yaitu harga Ns harus tetap, dan harga lain bebas berekspresi kegiatannya bersifat laboratorium.
Penskalaan atas dimensi sebenarnya dengan model adalah 1 : 10 a. Perhitungan diameter jet (nozel)
Dimensi pada skala model dapat diketahui dengan membagi dengan angka perbandingan 1 : 10 mm d atau m d el el 4 , 16 0164 , 0 10 164 , 0 mod mod = = = b. Perhitungan kecepatan diameter lingkaran tusuk
Sama halnya dengan yang di atas, Dlt yang didapat : m Dlt el 0,1795 10 795 , 1
mod = = atau Dltmodel =17.95 mm c. Penentuan jumlah mangkok
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 11 el el lt d D Z mod mod 2 × =π , 4 , 16 2 5 , 179 × × =π Z
Z = 17,18 buah mangkok, dibulatkan menjadi 17 buah mangkok. d. Penentuan dimensi utama mangkok
L = ( 2,5 ) . dmodel β2I = 35 o L = 41 mm B = (3,1) . dmodel β2II = 25 o B = 31,84 mm T = ( 0,7) . dmodel β2III = 15 o T = 11,48 mm a = (1,00 ) . dmodel β2IV = 8 o a = 16,4 mm b = (0,19) . dmodel β2V = 4 o b = 3,11 mm β1 = 6 o
Perancangan Rumah Turbin
Rumah turbin/casing dirancang untuk mendukung komponen komponen turbin pelton secara keseluruhan dan mampu melindungi bagian generator dari air.
Gambar perancangan mangkok turbin pelton
12 Pemaparan Hasil Litbang 2003 Gambar perancangan
mangkok turbin pelton bentuk solid 3d Gambar hasil pengecoran bahan allumunium bronze Gambar perancangan disk runner Gambar perancangan nosel
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 13 Gambar perancangan
rumah turbin pelton
KESIMPULAN
Dari hasil perhitungan suatu potensi air dengan head 30 m, dengan kecepatan spesifik 6,56, putaran kecepatan sinkron generatornya sebesar 750 rpm, debit yang dibutuhkan (Q) 0,00318 m3/s. Untuk debit dan head tersebut diperlukan dimensi nosel dengan diameter ( d ) 0,164 m, diameter lingkaran tusuk (Dlt) 17,95 mm, jumlah mangkok 17 buah mangkok dengan dimensi mangkok turbin pelton sesuai gambar.
DAFTAR PUSTAKA
Smith, Nigel, & Maher, Philip, (2001), “Pico Hydro For Village Power”, A Practical Manual for Schemes up to 5 kw in Hilly Areas, Edition 2, May .
Arismunandar, Wiranto, (1995), “Penggerak Mula Turbin”, ITB, Bandung.
Penche, Celco, ”Layman’s Guidebook, On How to Develop a small hydro site”, Europen Small Hydropower Association.
Bachmann, J.,” Hydraulicsche maschine”.
Arter, Alex, (1990), “Hydraulic Engineering Manual”, SKAT, Switzerland.
Sayers, A.T., (1992), “Hydraulic and Compressible Flow Turbomachines”, McGraw-Hill Book Company, London.
Banga, T.R., (1977), “Hydraulic Machines”, Khanna Publishers, New Delhi. Dandekar, M.M., (1991), “Pembangkit Listrik Tenaga Air”, Penerbit UI, Jakarta.
