JURNAL TEKNIK MESIN INSTITUT TEKNOLOGI PADANG e-issn: Vol. 11, No. 1, April 2021 p-issn:

(1)

INSTITUT TEKNOLOGI PADANG

https://e-journal.itp.ac.id/index.php/jtm e-ISSN: 2598-8263

Vol. 11, No. 1, April 2021 p-ISSN: 2089-4880

Published by Lembaga Penelitian dan Pengabdian Masyarakat (LP2M) - ITP

Pengujian Torsi dan Daya Turbin Pelton Torque and Power Testing of the Pelton Turbine

Dedi Wardianto¹*, Irwan Anwar², Afdal³

1 Department of Mechanical Engineering, Institut Teknologi Padang Jl. Gajah Mada Kandis Nanggalo, Padang, Indonesia

2 Department of Mechanical Engineering, Universitas Islam Riau

3 Department of Mechanical Engineering, Universitas Eka Sakti

doi.10.21063/jtm.2021.v11.i1.19-25

Correspondence should be addressed to wardiantodedi71@gmail.com

Article Information Abstract

Received:

March 13, 2021 Revised:

April 14, 2021 Accepted:

April 21, 2021 Published:

April 30, 2021

Energy sources that can be renewed in Indonesia according to Asian energy sources, one of which is micro hydro that uses water as a source of energy from a turbine. The potential energy of water is converted into kinetic energy in the nozzles. The water coming out of the nozzle that has a high speed hits the turbine blade. After hitting the blade direction the flow velocity changes so that the momentum changes (impulses) so that the turbine wheel will rotate.

Pelton Turbines are impulse turbines which consist of a set of road blades that are rotated by a jet of water sprayed from one or more devices called nozzles. Pelton Turbine is one of the most efficient and suitable types of water turbines used for high head and small flow discharge. Pelton turbines have several advantages including turbine efficiency which is relatively stable at various changes in flow discharge. The purpose of this writing is to find out and provide insight into the torque and power of the Pelton turbine and the effect on the valve openings that are varied.

Keywords: Pelton turbine, torque, power, valve opening.

1. Pendahuluan

Turbin adalah mesin penggerak, dimana energi fluida kerja dipergunakan langsung untuk memutar roda turbin. Roda turbin terletak di dalam rumah turbin dan roda turbin memutar poros daya yang menggerakkan generator listrik. Didalam turbin fluida kerja mengalami proses expansi, yaitu proses penurunan tekanan, dan mengalir secara kontiniu. Fluida kerjanya dapat berupa air,uap air,atau gas. Fluida kerja turbin meliputi air,uap air, gas dapat di gunakan sebagai fluida kerja turbin. Maka turbin diberi nama sesuai dengan jenis kerja fluidanya. Dengan demikian, turbin uap,turbin gas, dan turbin air berturut-turut adalah turbin dengan uap, gas, dan air sebagai fluida kerja.

Turbin dikembangkan pada abad ke-19 dan di gunakan secara luas oleh tenaga industri untuk jaringan listrik. Sekarang lebih umum di pakai untuk generator listrik. Turbin kini dimanfaatkan secara luas dan merupakan sumber energi yang dapat di perbaharui. Penelitian-penelitian tentang turbin ini telah banyak dilakukan oleh para peneliti diberbagai tempat seperti pada refeensi [1]-[5].

Pada makalah ini dipaparkan cara membuat alat dan menghitung torsi serta daya sebuah protipe turbin pelton.

2. Metode

Turbin adalah suatu mesin rotari yang berfungsi untuk mengubah energi dari aliran fluida menjadi energi gerak yang bermanfaat.

(2)

Mesin turbin yang paling sederhana terdiri dari sebuah bagian yang berputar yang di sebut rotor, yang terdiri atas sebuah poros/shaft atau sudu-sudu atau blade yang terpasang di sekelilingnya.

Rotor tersebut beputar akibat dari tumpukan fluida atau berputar sebagai reaksi dari tumbukan aliran fluida tersebut. Oleh karna itulah turbin terbagi atas 2 jenis yaitu, turbin impuls dan turbin reaksi. Rotor pada turbin impuls berputar akibat tumbukan fluida bertekanan yang di arahkan oleh nozzel kepada rotor tersebut. Sedangkan rotor turbin reaksi berputar akibat dari tekanan fluida itu sendiri yang keluar dari ujung sudu melalui nozzel.

A. Turbin Impuls dan Turbin Reaksi 1) Turbin Impuls

Turbin Impuls adalah jenis turbin yang merubah arah dari aliran fluida berkecepatan tinggi menghasilkan putaran impuls dari turbin dan penurunan energi kinetik dari aliran fluida.

Tidak ada perubahan tekanan yang terjadi pada fluida, penurunan tekanan terjadi pada nozzel.

Turbin impuls ada beberapa jenis [6]-[10]:

 Turbin cross flow

Turbin cross flow merupakan jenis turbin yang dikembangkan oleh Antony Michell (Australia), Donat Banki (hongaria) dan fritz (Jerman). Michell memperoleh hak paten atas desainnya pada tahun 1903. Turbin jenis ini pertama-tama diproduksi oleh perusahaan Weymouth. Turbin ini juga sering disebut sebagai turbin Ossberger, yang memperoleh hak paten pertama pada tahun 1922. Perusahaan ossberger tersebut sampai sekarang masih bertahan dan merupakan produsen turbin cross flow yang terkemuka di dunia. Turbin ini mempunyai runner yang berbentuk seperti drum yang mempunyai 2 atau lebih piringan paralel yang masing-masingnya dihubungkan oleh susunan sudu yang berbentuk lengkung.

Gambar 1. Turbin cross flow

 Turbin pelton

Turbin pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang di semprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nozzel. Turbin pelton merupakan salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien dan turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi.

Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah-tengah sudu dan pancaran air tersebut akan berbelok ke dua arah sehingga bisa membalikkan pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya- gaya samping. Untuk turbin dengan daya yang besar, sistem penyemprotan air nya dibagi lewat beberapa nozzel. Dengan demikian diameter pancaran air bisa di perkecil dan ember sudu lebih kecil. Turbin pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150 meter tetapi untuk skala mikro head 20 meter sudah mencukupi.

Gambar 2. Turbin pelton

2) Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah jenis turbin yang menghasilkan torsi denggan menggunakan tekanan atau massa gas atau fluida. Tekanan dari fluida berubah pada saat melewati sudu rotor. Pada turbin jenis ini diperlukan semacam sudu pada casing untuk mengontrol fluida kerja seperti yang bekerja pada turbin tipe multistage atau turbin ini harus terendam penuh pada fluida. Turbin reaksi di bagi atas beberapa jenis:

 Turbin francis

Turbin francis bekerja dengan memakai proses tekanan lebih pada air masuk ke roda jalan sebagian dari energi tinggi jatuh telah bekerja didalam sudu pengarah di ubah sebagai kecepatan arus masuk. Sisa energi tinggi jatuh berada bekerja di sudu jalan (runner) dengan semaksimal mungkin pada sisi sebelah roda jalan terdapat tekanan kerendahan (kurang dari 1 Atm) dan kecepatan aliran akan berkurang dan tekanannya akan kembali naik sehingga air bisa di alirkan keluar lewat saluran air bawah dengan tekanan seperti keadaan sekitarnya.

(3)

 Turbin kaplan

Turbin kaplan ini air masuk dan air keluar dari runner pada arah yang sejajar dengan sumbu poros aksial. Sudu berbentuk baling- baling/propeler, banyak dipakai untuk kapasitas besar dengan head yang lebih rendah, baling- baling sudu terdiri dari 4 sampai 8 buah.

Sebelum masuk runner air diarahkan oleh sudu pengarah. Keuntungan turbin baling-baling di bandingan denga turbin francis adalah kecepatan putarannya bisa dipilih lebih tinggi dengan demikian roda turbin bisa dikopelkan (dihubungkan) langsung dengan generator.

Turbin baling-baling dikembangkan sedemikian rupa sehingga sudu jalan turbin tersebut dapat diputar dalam leher poros jadi dengan demikian sudut sudu dapat di atur.

Gambar 3. Turbin francis

Gambar 4. Turbin kaplan

 Turbin Propeller

Pada dasarnya turbin propeller terdiri dari sebuah propeller (baling-baling), yang sama bentuknya dengan baling-baling kapal laut, yang dipasang pada tabung setelah pipa pesat.

Poros turbin menyambung keluar dari tabung . turbin propeller biasanya mempunyai 3 sampai 6 dudu, biasanya tiga sudu untuk turbin yang mempunyai head sangat rendah dan aliran air diatur oleh suatu statis atau wicket gate yang

dipasang tepat dihulu propeller. Turbing propeller ini dikenal sebagai fixed blade axial flow turbine karna sudut sudu rotornya tidak dapat diubah. Efesiensi operasi turbin pada beban sebagian (part-flow) untuk turbin jenis ini sangat rendah.

B. Jenis Turbin Berdasarkan Tipe Energi Macam-macam turbin dapat dikategorikan berdasarkan tipe energi yang digunakan untuk menghasilkan daya gerak atau energi. Sesuai dengan energi yang digunakan ada 4 jenis turbin yang ada di pasaran [6]-[10]:

1. Turbin uap (steamturbine) 2. Turbin air (water turbine) 3. Turbin angin (wind turbine) 4. Turbin gas (gas turbine)

1) Turbin uap (steamturbine)

Turbin uap menggunakan media uap air sebagai fluida kerjanya. Banyak digunakan untuk pembangkit tenaga listrik dengan menggunakan bahan bakar batubara, solar, atau tenaga nuklir. Prinsip dari turbin ini adalah untuk mengkonversi energi panas dari uap air menjadi energi gerak yang bermanfaat berupa putaran rotor.

Gambar 5. Turbin uap

2) Turbin air (water turbine)

Turbin air adalah turbin dengan media air.

Turbin air mengubah energi potensial dari air menjadi energi mekanis putaran poros. Energi mekanik ini kemudian di ubah menjadi energi listrik oleh generator. Secara umum turbin adalah alat mekanik yang terdiri dari proses dan sudu-sudu. Sudu tetap atau stationery blade, tidak ikut berputar bersama poros, dan berfungsi untuk mengarahkan aliran fluida sedangkan sudu putar rotary blade (runner), mengubah arah dan kecepatan aliran fluida sehingga timbul gaya yang memutar poros. Air biasanya dianggap sebagai fluida yang takkompresibel, yaitu fluida yang secara virtual massa jenisnya tidak berubah dengan tekanan.

Penggunaan turbin air kebanyakan untuk

(4)

pembangkit tenaga penggerak generator seperti pada pembangkit listrik tenaga air (PLTA).

Berdasarkan model aliran air masuk (runner), maka turbin air dapat dibagi menjadi tiga tipe yaitu:

 Turbin aliran tangensial

Kelompok turbin ini posisi air masuk runner dengan arah tangensial atau tegak lurus dengan poros runner mengakibatkan runner berputar, contohnya turbin pelton dan turbin cross flow.

Gambar 6. Turbin uap

Gambar 7. Model Turbin aliran tangensial

 Turbin aliran aksial

Pada turbin ini, air masuk runner dan keluar runner sejajar dengan poros, contohnya turbin kaplan dan propeller.

Gambar 8. Model Turbin aliran aksial

 Turbin aliran aksial-radial

Sedangkan pada turbin ini, air masuk kedalam runner secara radial dan keluar runner secara aksial sejajar dengan poros, contohnya turbin francis.

Gambar 9. Model Turbin aksial-radial

3) Turbin angin (wind turbine)

Turbin angin lebih dikenal dengan Kincir angin, berfungsi untuk mengkonversi energi kinetik dari angin menjadi energi gerak yang digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik.

Gambar 10. Turbin angin

4) Turbin gas (gas turbine)

Turbin gas adalah suatu penggerak mula yang memanfaatkan gas sebagai fluida kerja.

Didalam turbin gas energi kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik berupa putaran yang menggerakan roda turbin sehingga menghasilkan daya. Bagian yang berputar di sebut rotor atau roda turbin dan bagian turbin yang diam disebut stator atau rumah turbin.

Gambar 11. Turbin gas

(5)

C. Prinsip Kerja Turbin Pelton

Turbin pelton merupakan turbin impuls.

Turbin pelton terdiri dari sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang di semprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nozzel.

yang prinsip kerjanya mengubah energi potensial air menjadi energi kinetik dalam bentuk pancaran air. Pancaran air yang keluar dari mulut nozzel diterima oleh sudu-sudu pada roda jalan sehingga roda jalan berputar.

Prinsip kerja turbin pelton adalah menkonversi daya fluida dari air menjadi daya poros untuk digunakan memutar generator listrik. Pada sudu-sudu turbin, energi aliran air diubah menjadi energi mekanik yaitu putaran roda turbin. Apabila roda turbin dihubungkan dengan poros generator listrik, maka enegi mekanik putaran roda turbin diubah menjadi energi listrik pada generator.

Gambar 12. Prinsip Kerja Turbin pelton

D. Torsi Turbin Pelton

Torsi adalah ukuran kemampuan mesin untuk melakukan kerja, jadi torsi adalah besaran turunan yang biasa di gunakan untuk menghitung energi yang di hasilkan dari benda yang berputar pada porosnya. Torsi (T) dihitung dengan

… (1)

di mana F adalah gaya dan S adalah lengan.

Karena adanya torsi inilah yang menyebabkan benda berputar pada porosnya, dan benda akan berhenti apabila ada usaha melawan torsi dengan besar dengan arah yang berlawanan.

E. Daya Turbin Pelton

Daya adalah kecepatan melakukan kerja.

Daya sama dengan jumlah energi yang

dihabiskan per satuan waktu. Adapun daya (P) dihitung dengan

… (2)

di mana n adalah putaran turbin.

F. Alat Uji

Hal yang pertama dilakukan sebelum membuat alat uji ini adalah membuat gambar sketsa alat uji sesuai Gambar 13 dan 14 dalam ukuran (cm).

Gambar 13. Desain kerangka alat uji

Gambar 14. Desain kerangka sudu-sudu alat uji

Alat uji setelah difabrikasi dapat dilihat pada Gambar 15 dan skema alat beserta bagian- bagianya dapat dilihat pada Gambar 16.

Gambar 15. Alat uji

(6)

Keterangan : 1. Bak air 2. Pipa hisap 3. Pompa air 4. Keran air 5. Gantungan beban 6. Lengan (tuas rem) 7. Poros turbin 8. Promol rem 9. Ranka turbin 10. Sudu-sudu turbin

Gambar 16. Desain kerangka sudu-sudu alat uji

Rangka utama merupakan rangka dasar yang menjadi tempat kedudukan dari alat uji. Rangka ini menggunakan bahan besi siku 40 x 40 x 4 mm dengan panjang 6000 mm. Ada 5 langkah dalam pembuatan alat uji turbin pelton :

a. Pemotongan bahan baku b. Penyambungan bahan baku

c. Penggerindaan / penghalusan bahan baku yang sudah di sambung

d. Perakitan alat uji e. Proses pengecatan

G. Alat dan Bahan

 Tachometer

Tachometer adalah sebuah alat pengujian untuk mengukur kecepatan rotasi dari sebuah objek, seperti alat pengukur dalam sebuah mobil yang mengukur putaran per menit (rpm) dari poros engkol mesin. Kata tachometer berasal dari kata Yunani yaitu tachos yang berarti kecepatan dalam metron yang berarti untuk mengukur.

Gambar 17. Tachometer

 Anak timbangan

Anak timbangan ini di gunakan sebagai beban atau massa yang diletakkan pada lengan poros rem yang ada di alat uji.

Gambar 18. Anak timbangan

H. Pengujian

Pengujian pertama katup dibuka penuh dengan kecepatan air konstan, Pengujian berikutnya dengan bukaan 3/4. Selanjutnya dengan bukaan 1/2. Dan yang terakhir dengan bukaan 1/4 Dengan bukaan katup yang divariasikan, bisa dihitung besarnya putaran turbin yang terjadi saat varisasi bukaan tersebut sampai bukan penuh.

3. Hasil dan Pembahasan

Hasil pengujian dengan katup bukaan penuh, 3/4, 1/2 dan 1/4 secara berturut-turut dapat diliha pada Tabel 1, 2, 3 dan 4.

Tabel 1. Tabel torsi dan daya bukaan keran penuh

No M N S T P

[kg] [rpm] [cm] [N.m] [Watt]

1 0 78,6 46 0,00 0,00

2 0,5 74,0 46 2,26 17,48

3 0,7 67,9 46 3,16 22,46

4 0,9 60,0 46 4,06 25,52

5 1 58,8 46 4,51 27,79

Tabel 2. Tabel torsi dan daya bukaan keran 3/4

No M N S T P

1 0 74,2 46 0,00 0,00

2 0,5 66,5 46 2,26 15,71

3 0,7 65,5 46 3,16 21,67

4 0,9 58,3 46 4,06 24,80

5 1 52,4 46 4,51 24,76

Tabel 3. Tabel torsi dan daya bukaan 1/2

No M N S T P

1 0 60,3 46 0,00 0,00

2 0,5 50,2 46 2,26 11,86

3 0,7 41,8 46 3,16 13,83

4 0,9 36,5 46 4,06 15,52

5 1 36,0 46 4,51 17,01

(7)

Tabel 4. Tabel torsi dan daya bukaan 1/4

No M N S T P

1 0 49,9 46 0,00 0,00

2 0,5 42,0 46 2,26 9,92

3 0,7 36,8 46 3,16 12,17

4 0,9 25,5 46 4,06 10,85

5 1 20,5 46 4,51 9,69

Dari grafik bukaan keran terhadap torsi (Gambar 19) terlihat bahwa semakin besar bukaan kerannya semakin besar putarannya dengan torsi yang relatif sama dan semakin kecil bukaan kerannya semakin kecil putarannya dan torsi relatif sama. Dari grafik terhadap daya (Gambar 20) terlihat bahwa semakin besar bukaan keran dayanya semakin besar dan semakin kecil bukaan keran dayanya semakin kecil.

Grafik 19. Bukaan keran terhadap torsi

Grafik 20. Bukaan keran terhadap daya

4. Simpulan

Berdasarkan analisis torsi dan daya yang telah dilakukan, maka dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut:

 Semakin besar bukaan keran, semakin besar putarannya dengan torsi yang relatif sama dan semakin kecil bukaan keran nya maka semakin rendah putarannya dengan torsi yang relatif sama juga.

 Semakin besar bukaan keran maka dayanya semakin besar dan sebaliknya semakin kecil bukaan keran maka daya yang di hasilkannya semakin kecil.

Referensi

[1] A.H. Ahrori, M. Kabib dan R. Wibowo,

“Perancangan Dan Simulasi Turbin Pelton Daya Output Generator 20.000 Watt, “Jurnal CRANKSHAFT, Vol. 2, No. 2, 2019, pp. 17-26.

[2] Kusnadi, A. Mulyono, G Pakki dan Gunarko, “Rancang Bangun Dan Uji Performansi Turbin Air Jenis Kaplan Skala Mikrohidro,” Jurnal Teknik Mesin Univ. Muhammadiyah Metro, Vol. 7, No.

2, 2018, pp.

[3] L. Susanto, T. Priangkoso dan D.

Darmanto, “Perancangan Turbin Pelton Skala Piko Hidro Kapasitas 1 kW,”

Momentum, Vol. 15, No. 2, 2019, pp.

121-126.

[4] Y. Kurniawan, E.A. Pane dan Ismail,

“Pengaruh Jarak dan Posisi Nozzle TerhadapDaya Turbin Pelton,” Jurnal Teknik Pertanian (JTEP), Vol. 5, No. 3, 2017, pp. 275-282.

[5] Hadimi, Supandi dan A. Rohermanto,

“Rancang Bangun Model Turbin Pelton Mini Sebagai Media Simulasi/ Praktikum Mata Kuliah Konversi Energi Dan Mekanika Fluida,” Jurnal Ilmiah Semesta Teknika, Vol. 9, No. 1, 2006, pp. 16-24.

[6] F. Dietzel dan D. Sriyono, “Turbin Pompa Dan Kompresor,” Erlangga, Jakarta, 1-73, 1993.

[7] V. Treeter, “Mekanika Fluida ,” Erlangga, Jakarta, 1988.

[8] Sularso dan H. Tahara, “Pompa Dan Kompresor,” PT. Pradnya Paramita, Jakarta, 1985.

[9] A. Church, “Pompa Dan Blower Sentrifugal,” Erlangga, Jakarta, 1982.

[10] Z. Harahap, “Pompa,” PT.Gelora Aksara Pratama, Jakarta, 1971.

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00

0.0 50.0 100.0

Torsi [N.m]

Putaran [rpm]

bukan penuh bukaan 3/4

bukaan 1/2 bukaan 1/4

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00