BAB II - Uji Eksperimental Turbin Kaplan Dengan 5 Runner Blade Dan Analisa Perbandingan Variasi Sudut Guide Vane.

(1)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Potensi Tenaga Air

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.

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 permukaan air pada reservoir dengan air keluar dari turbin air. Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah

merupakan energi potensial air yaitu :

𝐸𝐸 = 𝑚𝑚𝑚𝑚ℎ ... (2.1) Dimana :

m = massa air h = head (m)

g = percepatan gravitasi (m/ s2 )

Daya merupakan energi tiap satuan waktu�𝐸𝐸

𝑡𝑡�sehingga persamaan (2.1) dapat dinyatakan sebagai :

𝐸𝐸 𝑡𝑡 =

𝑚𝑚

𝑡𝑡 𝑚𝑚ℎ ...(2.2) Dengan mensubsitusikan P terhadap �𝐸𝐸

(2)

Selain memanfaatkan air jatuh dapat diperoleh dari aliran air datar. Dalam hal ini energi yang tersedia merupakan energi kinetik

𝐸𝐸 = 1

2𝑚𝑚𝑣𝑣

2_{... (2.4)}

Dimana :

v = kecepatan aliran air [m/s]

Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut: 𝑃𝑃 = 1

2ρQ𝑣𝑣

2_{... (2.5)}

atau dengan menggunakan persamaan kontinuitas

Q

=

Av

maka 𝑃𝑃 = 1

2ρA𝑣𝑣

3_{... (2.6)}

Dimana :

A = luas penampang aliran air (m2)

2.2 Sejarah Turbin Air

Kata "turbine" ditemukan oleh seorang insinyur Perancis yang bernama “Claude Bourdin” pada awal abad 19, yang 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. Untuk selanjutnya dikembangkan turbin impuls yang tidak membutuhkan putaran air.

Sejarah di temukanya turbin yaitu bermula dari di temukanya kincir air yang sudah sejak lama digunakan untuk tenaga industri. Pada mulanya yang dipertimbangkan adalah ukuran kincirnya, yang membatasi debit dan head yang dapat dimanfaatkan. Perkembangan kincir air menjadi turbin modern membutuhkan jangka waktu yang cukup lama. Perkembangan yang dilakukan dalam waktu revolusi industri menggunakan metode dan prinsip ilmiah. Mereka juga mengembangkan teknologi material dan metode produksi baru pada saat itu.

(3)

dari turbin air modern. Turbin ini merupakan mesin yang simpel yang masih diproduksi saat ini untuk pembangkit tenaga listrik skala kecil. “Segner” bekerja dengan “Euler” dalam membuat teori matematis awal untuk desain turbin. Pada tahun 1820, “Jean-Victor Poncelet” mengembangkan turbin aliran kedalam.

Pada tahun 1826, “Benoit Fourneyon” mengembangkan turbin aliran keluar. Turbin ini sangan efisien (80%) yang mengalirkan air melalui saluran dengan sudu lengkung satu dimensi. Saluran keluaran juga mempunyai lengkungan pengarah. Pada tahun 1844, “Uriah A. Boyden” mengembangkan turbin aliran keluar yang meningkatkan performa dari turbin Fourneyon. Bentuk sudunya mirip dengan turbin Francis. Pada tahun 1849, James B. Francis meningkatkan efisiensi turbin reaksi aliran kedalam hingga lebih dari 90%. Dia memberikan test yang memuaskan dan mengembangkan metode engineering untuk desain turbin air. Turbin Francis dinamakan sesuai dengan namanya, yang merupakan turbin air modern pertama. Turbin ini masih digunakan secara luas di dunia saat ini.

Turbin air aliran kedalam mempunyai susunan mekanis yang lebih baik dan semua turbin reaksi modern menggunakan desain ini. Putaran massa air berputar hingga putaran yang semakin cepat, air berusaha menambah kecepatan untuk membangkitkan energi. Energi tadi dibangkitkan pada sudu dengan memanfaatkan berat jatuh air dan pusarannya. Tekanan air berkurang sampai nol sampai air keluar melalui sirip turbin dan memberikan energi.

Sekitar tahun 1890, bantalan fluida modern ditemukan, sekarang umumnya digunakan untuk mendukung pusaran turbin air yang berat. Hingga tahun 2002, bantalan fluida terlihat mempunyai arti selama lebih dari 1300 tahun. Sekitar tahun 1913, Victor Kaplan membuat turbin Kaplan, sebuah tipe mesin baling-baling. Ini merupakan evolusi dari turbin Francis tetapi dikembangkan dengan kemampuan sumber air yang mempunyai head kecil.

2.3 Klasifikasi Turbin Air

(4)

merubah energi menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini, maka turbin air dibagi menjadi dua yaitu:

1. Turbin impuls, dan 2. Turbin reaksi. 2.3.1 Turbin Impuls

Turbin Impuls adalah turbin yang bekerja karena aliran air. Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nosel. Air keluar nosel 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.

2.3.1.1 Turbin Pelton.

(5)

Gambar 2.1 Turbin pelton

(Sumber: http//turbin-pelton.blogspot.com)

2.3.1.2 Turbin Turgo

(6)

Gambar 2.2 Turbin turgo

(Sumber:https://wiki.thayer.dartmouth.edu/Turgo)

2.3.1.3 Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow

Turbin Cross-Flow adalah salah satu turbin air dari jenis turbin aksi (impuls turbine). Prinsip kerja turbin ini mula-mula ditemukan oleh seorang insinyur Australia yang bernama “A.G.M. Michell” pada tahun 1903. Kemudian turbin ini dikembangkan dan dipatenkan di Jerman Barat oleh “Prof. Donat Banki” sehingga turbin ini diberi nama Turbin Banki kadang disebut juga Turbin Michell-Ossberger (Haimerl, L.A., 1960).

Pemakaian jenis Turbin Cross-Flow lebih menguntungkan dibanding dengan pengunaan kincir air maupun jenis turbin mikro hidro lainnya. Penggunaan turbin ini untuk daya yang sama dapat menghemat biaya pembuatan penggerak mula sampai 50 % dari penggunaan kincir air dengan bahan yang sama. Penghematan ini dapat dicapai karena ukuran Turbin Cross-Flow lebih kecil dan lebih kompak dibanding kincir air.

(7)

Gambar 2.3 Turbin ossberger

(Sumber:https://rimoo.wordpress.com)

2.3.2 Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin yang memanfaatkan energi potensial untuk menghasikan energi gerak. 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. Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin.

Jenis-jenis turbin reaksi yakni:

2.3.2.1. Turbin Francis

(8)

air bertekanan rendah di bagian keluar. Sudu pengarah pada turbin Francis merupakan

suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya.

Gambar 2.4Turbin prancis

( Sumber:https semayangboy.com)

2.3.2.2. Turbin Kaplan

Turbin Kaplan termasuk kelompok turbin air reaksi jenis baling-baling

(propeller). Keistimewaannya adalah sudut sudu geraknya (runner) bisa diatur

(9)

Gambar 2.5 Turbin kaplan

(Sumber: http//turbin-kaplan.blogspot.com)

2.3.2.2.1. Prinsip Kerja Turbin Kaplan

(10)

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 yang ada.

2.3.2.2.2 Komponen Utama Turbin Kaplan

Komponen-komponen utama turbin Kaplan adalah: 1. Rumah turbin

Air dari saluran pipa didistribusikan di sekeliling cincin rumah turbin. Rumah turbin didesain sedemikian sehingga luas penampang melintangnya berkurang secara seragam. Luas penampang melintangnya maksimum pada sisi masuk dan minimum pada ujung.

(11)

Rumah turbin akan mendistribusikan air secara merata kepada guide vane. Untuk mencapai aliran seragam pada runner blade, maka aliran air harus seragam masuk ke dalam guide vane.

2. Mekanisme pengarah (guide vane)

Sudu pengarah (guide vane) terpasang tetap diantara dua cincin dalam bentuk roda. Roda ini dipasang tetap pada rumah turbin. Sudu pengarah didesain untuk:

 Supaya air masuk ke runner tanpa kejut.

 Supaya air mengalir tanpa membentuk arus Eddy.  Supaya sejumlah air bisa memasuki turbin.

Sudu pengarah bisa dibuka dan ditutup dengan memutar poros pengatur, sehingga jumlah air bisa diatur sesuai keperluan. Poros pengatur dioperasikan dengan menggunakan governor, yang fungsinya mengatur turbin (yaitu menjaga kecepatan turbin konstan pada beban yang bervariasi).

Gambar 2.7 Guide vane

(12)

bergerak dengan sudut yang benar. Air ketika mengalir pada sudu/vane, menghasilkan gaya ke roda. Gaya ini menyebabkan roda berputar.

3. Runner blade

Runner blade terdiri dari sudu yang terpasang tetap pada poros atau cincin. Sudu didesain supaya air masuk dan meninggalkan turbin tanpa kejut. Runner blade terpasang pada poros. Jika porosnya vertikal, disebut turbin vertikal, dan jika poros horisontal maka disebut turbin horisontal. Untuk head rendah, runner blade bisa dibuat dari besi tuang, tetapi untuk head tinggi, runner blade dibuat dari baja atau paduan. Jika air secara kimia tidak murni, runner dibuat dari paduan spesial.

Gambar 2.8 Runner blade

4. Draft tube

Air setelah melewati runner, mengalir turun melalui pipa yang disebut

(13)

 Meningkatkan head air sebesar tinggi runner dari permukaan air.  Meningkatkan efisiensi turbin.

Gambar 2.9 Draft tube

2.3.2.2.3 Dimensi Dasar Turbin Kaplan

(14)

Gambar 2.10 Elemen dasar turbin Kaplan

(Sumber : http://jerryjerrseyy.blogspot.com/2013/12/jenis-turbin-hidrolik.html) Persamaan dasar untuk mencari diameter luar runner (D) :

𝐷𝐷 = (66,76 + 0,136 𝑛𝑛𝑛𝑛)√𝐻𝐻eff

𝑛𝑛 ... ... (2.7) Dengan

ns = putaran spesifik [rpm] n = putaran turbin [rpm]

Persamaan dasar untuk mencari tinggi guide vane (B) :

𝐵𝐵= �0,45−31,80

𝑛𝑛𝑛𝑛 � 𝐷𝐷 ... ... (2.8) Sedangkan persamaan dasar untuk mencari jarak vertikal runner terhadap sisi dalam guide vane (λ):

λ =0,25.D ... ... (2.9)

Dan persamaan untuk mencari diameter hub (d) : 𝑑𝑑

(15)

2.3.2.2.4 Dimensi Dasar Runner Blade

Segitiga kecepatan masuk pada runner blade dapat dilihat pada gambar 2.11 dibawah ini.

Uwb = Kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss

Uw = Kecepatan pusaran air (whirl) diameter luar

(16)

Persamaan untuk mencari kecepatan aliran air (Vf) adalah:

V_f = �2gH ...(2.11)

Persamaan untuk mencari Kecepatan tepi (rim) diameter boss dan diameter dalam (𝑈𝑈_𝑏𝑏𝑑𝑑𝑑𝑑𝑛𝑛𝑈𝑈) adalah:

𝑈𝑈_𝑏𝑏 = 𝜋𝜋.𝐷𝐷𝑏𝑏.𝑁𝑁

60 ...(2.12)

𝑈𝑈= 𝜋𝜋.𝐷𝐷.𝑁𝑁

60 ...(2.13)

Persamaan untuk mencari Kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss dan diameter dalam adalah :

𝑈𝑈𝑤𝑤𝑏𝑏 = _{100 .}𝑛𝑛𝐻𝐻.𝑚𝑚._{𝑈𝑈𝑏𝑏}𝐻𝐻...(2.14)

𝑈𝑈𝑤𝑤 = _{100 .}𝑛𝑛𝐻𝐻.𝑚𝑚.𝐻𝐻_𝑈𝑈...(2.15)

Persamaan untuk mencari Sudut sudu (blade) pada area fluida masuk (inlet)

adalah :

tan (𝛽𝛽_𝑖𝑖) = 𝑈𝑈𝑓𝑓

𝑈𝑈𝑤𝑤...(2.16)

Persamaan untuk mencari Sudut sudu (blade) pada area fluida keluar (outlet)

adalah :

tan (𝛽𝛽_𝑒𝑒) = _𝑈𝑈𝑉𝑉𝑓𝑓

(17)

2.4 KARAKTERISTIK TURBIN

Perbandingan karakteristik turbin dapat kita lihat pada grafik head (m) vs flow

(m3/s) dibawah ini.

Gambar 2.12 Grafik perbandingan karakteristik turbin

(18)

2.5 SELEKSI AWAL JENIS TURBIN

Seleksi awal dari jenis turbin yang cocok untuk suatu keperluan paling tepat dilakukan dengan kecepatan spesifik (Ns). Dalam tabel 2.1 disajikan nilai kecepatan spesifik (Ns) untuk berbagai jenis turbin. Tabel 2.1 dapat digunakan sebagai panduan awal dalam pemilihan jenis turbin yang tepat untuk nilai Ns

tertentu. Nilai Ns yang tercantum dalam tabel 2.1 bukan nilai eksak.

Untuk setiap jenis turbin terdapat suatu nilai kisaran tinggi terjun dan kecepatan spesifik yang sesuai. Korelasi empiris antara terjun (H) dan kecepatan spesifik (Ns) disajikan dibawah ini.

Untuk turbin Francis, Moody memperoleh korelasi sebagai berikut:

𝑁𝑁𝑛𝑛 = 6803

𝐻𝐻+9,75+ 84 ...(2.18)

Sedangkan untuk turbin propeller atau Kaplan, Moody memperoleh korelasi sebagai berikut:

𝑁𝑁𝑛𝑛 = 9431

𝐻𝐻+9,75+ 155...(2.19)

(19)

Tabel 2.1 Jenis-jenis turbin air dan kisaran kecepatan spesifiknya (Ns)

Jenis Turbin Ns (metrik)

1. Turbin Impuls a. Satu jet (Turbin Pelton) 4-30 b. Banyak jet (turbin Doble) 30-70 2. Turbin Reaksi a. Francis

Ns rendah 50-125

Ns normal 125-200

Ns tinggi 200-350

Ns exspress 350-500

b. Propeller

Sudu tetap (Turbin Nagler) 400-800 Sudu dapat diatur (Turbin Kaplan) 500-1000

(20)

H = tinggi terjun efektif [m]

Dari nilai spesifik ini dapat ditentukan jenis turbin yang digunakan yang dapat dijelaskan sebagai berikut :

Ns= 8 - 50 jenis turbin Pelton Ns= 50 - 149 jenis turbin Perancis

Ns= 150 - 1000 jenis turbin Kaplan atau Propeler

Pemilihan putaran spesifik ini sangat berhubungan dengan dimensi peralatannya, yang berarti juga mempengaruhi konstruksi dan harga. Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan juga 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, efisiensinya baik dalam segala kondisi aliran.

(21)

2. 6 GENERATOR LISTRIK

Generator listrik adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber energi mekanik berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik 5 runner blade dan analisa perbandingan sudut guide vane (300, 450 dan 600) , yakni:

Gambar 2.13 Generator

2.7 SABUK DATAR DAN PULI

Belt (sabuk) digunakan untuk mentransmisikan daya dari poros yang satu ke poros yang lainnya melalui roda (pulley) yang berputar dengan kecepatan sama atau berbeda.

(22)

2.7.1 Jenis Gerakan Pada Sabuk

Energi dari suatu puli ditransmisikan kemanapun. Berikut jenis gerakan pada sabuk:

1. Gerakan sabuk terbuka

Gerakan sabuk terbuka ditunjukkan di dalam gambar 2.19, jenis ini digunakan diporos. Berputar dan paralel yang diatur ke arah yang sama. Ketika memusat jarak antara kedua poros besar, kemudian sisi yang ketat sabuk harus lebih rendah.

Gambar 2.14 Sabuk terbuka 2. Gerakan membelit atau melingkar pada sabuk

(23)

harus ditempatkan pada suatu jarak yang maksimum 20 b, dimana b menjadikan sabuk melebar dan kecepatan sabuk harus kurang dari 15m/sec.

Gambar 2.15 Gerakan membelit atau melingkar pada sabuk 3. Gerakan dengan puli pengarah

(24)

Gambar 2.16 Gerakan dengan puli pengarah

2.7.2 Perbandingan KecepatanPuli

Karena kecepatan linier pada kedua puli sama, maka:

𝜋𝜋𝐷𝐷1𝑁𝑁1 = 𝜋𝜋𝐷𝐷2𝑁𝑁2...(2.21)

Dan perbandingan putaran kedua puli menjadi:

𝑁𝑁2

𝑁𝑁1

=

𝐷𝐷1

𝐷𝐷2

...(2.22)

Dimana,

N1 = Putaran penggerak [rpm]

N2 = Putaran yang digerakkan [rpm]

D1 =Diameter puli penggerak [m]

(25)

2.7.3 Efisiensi Puli

Untuk mencari efisiensi puli menggunakan rumus sebagai berikut: 𝜂𝜂p= 𝐷𝐷

2𝑁𝑁2

𝐷𝐷1𝑁𝑁1 𝑥𝑥 100% ...(2.23)

Dimana :

ηp = Efisiensi puli

2.8 DAYA LISTRIK

Daya listrik adalah banyaknya energi tiap satuan waktu dimana pekerjaan sedang berlangsung atau kerja yang dilakukan persatuan waktu. Dari definisi ini, maka daya listrik (Pl) dapat dirumuskan:

𝐷𝐷𝑑𝑑𝐷𝐷𝑑𝑑= 𝐸𝐸𝑛𝑛𝑒𝑒𝐸𝐸𝑚𝑚𝑖𝑖

𝑊𝑊𝑑𝑑𝑊𝑊𝑡𝑡𝑊𝑊………...(2.24) 𝑃𝑃 = 𝐸𝐸_𝑡𝑡

𝑃𝑃 = 𝑉𝑉.𝐼𝐼.𝑡𝑡 𝑡𝑡

P = V.I...(2.25) Dimana: