BAB II TINJAUAN PUSTAKA - Uji Performansi Turbin Pelton Dengan 24 Sudu Pada Head 9,41 Meter Dengan Menggunakan Satu Nosel Dan Analisa Perbandingan Menggunakan Variasi Bentuk Sudu

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 TURBIN AIR

Turbin air termasuk dalam kelompok mesin-mesin fluida yaitu, mesin-mesin

yang berfungsi untuk merubah energi fluida (energi potensial dan energi kinetis

air) menjadi energi mekanis atau sebaliknya. Berdasarkan pengertian diatas maka,

mesin-mesin fluida dapat dibagi atas 2 (dua) golongan yaitu : mesin-mesin tenaga

(penggerak). Mesin ini berfungsi untuk merubah energi fluida menjadi energi

mekanis pada poros. misalnya : turbin air, turbin uap, turbin gas, kincir air, kincir

angin dan lainnya. Pompa, Kompresor, Blower, fan dan lain-lain berfungsi untuk

mengubah energi mekanis pada poros menjadi energi fluida (energi potensial dan

energi kinetis).

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). Perbedaan dasar antara turbin air awal 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 impulse yang tidak membutuhkan

putaran air).

Tenaga air dimanfaatkan menjadi tenaga mekanis dimulai dari abad zaman

prasejarah. Pada tahun 2200 SM, bangsa India Selatan sudah berhasil untuk

merubah tenaga air menjadi tenaga mekanis yaitu dengan menggunakan kincir air.

Air yang ada dialirkan melalui saluran dan langsung menumbuk kincir air yang di

pasang pada ujung saluran. Tenaga yang ditimbulkan oleh aliran air dapat

menyebabkan kincir air tersebut berputar, berputarnya kincir diteruskan ke poros

kincir dan dengan dibantu oleh susunan roda gigi dapat digunakan untuk memutar

generator atau alat yang lain, seperti penumbuk padi, jagung atau lain sebagainya.

PLTA yang dibuat itu kemudian diikuti oleh Negara lain seperti Eropa, Amerika

dan Negara lainnya. Para ahli yakin bahwa kincir air mulai digunakan sekitar 500

tahun sebelum digunakannya di negara India. Baru kemudian tepatnya pada abad

ke-18 kincir air mengalami perkembangan yang sangat pesat dan dapat diubah

menjadi turbin air. Kemajuan yang sangat pesat dari turbin air dilakukan oleh

Prancis. Tepatnya tahun 1855 Prancis berhasil membuat turbin dan meraih sukses

pada tahun 1910.

Turbin Francis mempunyai poros tegak dengan ukuran yang besar,

sedangakan dengan ukuran yang kecil dengan ukuran mendatar. Turbin Francis

memakai roda propeller atau runner yang dapat berputar secara bebas. Awal mula

yang membawa kesuksesan Francis adalah pelton yang telah membangun turbin

aksi pada tahun 1870.

Pelton membangun turbin dengan ketinggian jatuh air yang besar. Pemasukan

air yang melalui saluran yang kemudian oleh pipa pesat (penstock) air tersebut

dirubah menjadi kecepatan tinggi dan langsung menemukan sudu jalan.

Sudu-sudu jalan dari turbin pelton berua bucket atau ember atau sekop yang dibuat

runcing pada sisi sebelah luarnya. Turbin pelton memanfaatkan kecepatan air yang

keluar dari pipa pesat, sehingga turbin ini termasuk aksi. Hampir 95% tenaga air

yang diberikan menjadi kinetis. Dewasa ini makin banyak terlihat penggunaan

PLTA, dimana penggunaan airnya dipompa ke atas pada waktu bebannya rendah.

Sistem ini sangat menguntungkan untuk memenuhi kebutuhan akan tenaga listrik.

Sedangakan perkembangan lain adalah pembangunan PLTA di bawah tanah.

Hampir semua pembangunan waduk PLTA digunakan berbagai keperluan,

misalnya untuk irigasi, perikanan, dan sebagai pengendali banjir.

2.1.1 KLASIFIKASI TURBIN AIR

Turbin air dapat dikelompokkan dengan berbagai cara. Jenis turbin dapat digolongkan menjadi tiga sesuai dengan range dari head-nya, yaitu :

 Turbin dengan head rendah.

 Turbin dengan head medium.

Sedangkan menurut cara kerjanya, maka terdapat dua jenis turbin yaitu :

1. Turbin Impuls (aksi).

2. Turbin Reaksi.

1. Turbin Impuls (aksi).

Turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya dengan merubah seluruh energi air (yang teridiri dari energi potensial-tekanan

-kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Atau dengan kata lain, energi potensial air diubah menjadi energi kinetik. Contoh turbin impuls adalah turbin Pelton dan turbin Cross Flow.

1) Turbin Cross Flow

Gambar 2.1 Turbin Cross Flow

 Ketika air masuk ke turbin akan diarahkan oaleh satu atau lebih baling-baling yang terletak di hulu runner dan melintas dua kali

sebelum menginggalkan turbin.

 Prakondisi

 Keuntungan

i. Desain sederhana sehingga menyebabkan produksi yang baik

dan tersandardisasi.

ii. Murah dan kuat.

iii. Dibandingkan dengan turbin lainnya, turbin cross flow

biayanya lebih rendah.

iv. Sangat dianjurkan untuk kondisi seperti di Indonesia.

 Kerugian

Turbin cross flow memiliki efisiensi hingga 80% lebih rendah dibandingkan dengan jenis turbin lainnya.

2) Turbin Pelton

Gambar 2.2 Turbin Pelton

 Turbin yang terdiri dari sejumlah ruang penampung untuk menangkap aliran air.

 Untuk arus yang lebih tinggi jumlah ruang penampung dapat ditingkatkan.

 Prakondisi

i. Mula operasi antara 50 m < H < 1300 m

ii. Membutuhkan sistem aliran air yang rendah.

 Keuntungan

i. Konstruksi yang kompak.

ii. Stabil dijalankan.

iii. Mudah dioperasikan.

 Kerugian

i. Tidak cocok untuk lokasi yang headnya rendah.

2. Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir dalam bentuk putaran. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu.

Turbin ini terdiri dari sudu pengarah dan sudu jalan dan kedua sudu tersebut semuanya terendam di dalam air. Air dialirkan ke dalam sebuah terusan atau dilewatkan ke dalam sebuah cincin yang berbentuk spiral (rumah keong). Perubahan energi seluruhnya terjadi di dalam sudu gerak.

Turbin air yang paling banyak digunakan adalah turbin reaksi. Turbin reaksi digunakan untuk aplikasi turbin dengan head rendah dan medium. Pada turbin reaksi, letak turbin harus diperhatikan agar tidak terjadi bahaya kavitasi yang terjadi akibat adanya tekanan absolut yang lebih kecil dari tekanan uap air. Kavitasi dapat menyebabkan sudu-sudu

turbin menjadi berlubang-lubang kecil, sehingga mengurangi efisiensi

1) Turbin Francis

 Jenis turbin reaksi.

 Komponen Runner tenggelam dalam air sepenuhnya.

 Terdiri dari deretan bilah melengkung.

 Regulasi aliran dilakukan melalui deretan yang dapat diatur.

 Prakondisi

i. Mulai operasi antara 25 m < H < 350 m

 Keuntungan

i. Operasional yang handal.

ii. Konstruksi sederhana.

iii. Tingginya efisiensi.

 Kerugian

i. Tidak cocok untuk lokasi dengan Head (ketinggian air terjun)

yang tinggi.

2) Turbin Propeler (Kaplan)  Jenis turbin reaksi.

 Kaplan adalah jenis turbin tertua dengan konfigurasi sebuah ulir dan gerbang kecil radial untuk pengaturan aliran.

 Turbin Kaplan memiliki pisau yang dapat diatur dan disesuaikan melalui gerbang kecil dan menghasilkan efisiensi terbaik terbaik atas berbagai laju aliran.

 Prakondisi

i. Mulai operasi antara 2 m < H < 40 m.

 Keuntungan

i. Turbin propeller dapat berjalan kecepatan tinggi dan head yang

rendah.

ii. Turbin Kaplan sangat efisien.

 Kerugian

i. Mahalnya pemeliharaan dan investasi.

ii. Tidak cocok untuk lokasi dengan head yang tinggi.

Gambar 2.4 Turbin Propeler

2.1.2 Perbandingan Karakteristik Turbin Air

maksimum. Perhitungan tepat ini menghasilkan performa turbin dalam jangkauan head dan debit tertentu.

Kecepatan spesifik setiap turbin mempunyai kisaran (range) tertentu berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air adalah sebagai berikut:

Turbin Pelton 12 < ns< 25

Turbin Francis 60 < ns< 300

Turbin Crossflow 40 < ns< 200

Turbin Propeller 250 < ns< 1000

Tabel 2.1 Kecepatan Spesifik Turbin

Kecepatan spesifik (ns), menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak

berhubungan dengan ukurannya. Hal ini menyebabkan desain turbin baru yang diubah skalanya dari desain yang sudah ada dengan performa yang sudah diketahui. Kecepatan spesifik merupakan kriteria utama yang menunjukkan pemilihan jenis turbin yang tepat berdasarkan karakteristik sumber air.

Dengan mengetahui kecepatan spesifik turbin, maka perencanaan dan pemilihan jenis turbin akan menjadi lebih mudah, bahkan dimensi dasar turbin dapat diestimasi (diperkirakan).

Pada gambar terlihat turbin pelton adalah turbin yang beroperasi pada head yang menengah hingga tinggi dengan kapasitas aliran air yang menengah, atau bahkan beroperasi pada kapasitas yang sangat rendah.

Gambar 2.6 Daerah penggunaan dari beberapa jenis konstruksi turbin yang berbeda.

Dalam pembuatan roda turbin, kebanyakan pertama sekali membuat modelnya, setelah model tersebut diselidiki, diuji dan diubah-ubah sehingga

menghasilkan daya dan randemen turbin yang baik, kemudian baru dibuat roda turbin yang besar/sesungguhnya menurut bentuk modelnya.

2.1.3 Head Turbin

Head turbin dapat juga disebut sebagai tinggi jatuh air dan sering

dinotasikan sebagai H. Head turbin dapat ditentukan berdasarkan persamaan

𝑊 = 𝑚 𝑔 𝑧 + 𝑚 𝑃_𝑞 + 𝑚 𝐶₂2 (Nm)

dimana notasi :

m = massa

g = kecepatan gravitasi bumi

z = selisih ketinggian

(tinggi air atas – tinggi air bawah)

P = tekanan

c = kecepatan

Jika pada aliran tersebut m = 1 kg, maka energi spesifiknya :

𝑤 = 𝑔𝑧 + 𝑃_+ 𝐶₂2 (𝑁 _𝐾𝑔𝑚)

Bila energi spesifik tersebut dibagi dengan gravitasi maka ketinggian :

𝐻 = 𝑧 + _𝑃_𝑔+ 𝐶_2𝑔2 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛 (m)

2𝑔 Dinamakan Tinggi Kecepatan Hal ini sesuai dengan Bunyi Persamaan Bernoulli :

Gambar 2.7 Diagram Bernoulli Untuk Turbin Air.

Persamaan momentum untuk pipa yang dialiri fluida, dimana sifat fluida konstan sebagai berikut:

Saat head loses akibat gesekan tidak diperhitungkan, maka persamaan momentum akan berubah menjadi persamaan Bernoulli. Persamaan ini ditemukan pada aliran fluida yang tidak mengalami gesekan.

Persamaan momentum untuk titik 1 dan 3, diperoleh:

𝑃1

Persamaan momentum untuk titik 2 dan 3, diperoleh:

Keterangan:

P = tekanan absolut (N/m2₎

v = kecepatan (m/s)

Hl = head loses pada pipa (m) Heff = head efektif (m)

Untuk kondisi-kondisi instalasi turbin air di atas dimana:  Untuk waduk (reservoir titik 1) kecepatan V1 ≈ 0.

 𝑃1 V = kecepatan aliran (m/s) A = luas penampang pipa (m2₎

Head losses yang terjadi pada saluran pipa:

1. Mayor Loses yang terjadi akibat gesekan aliran dalam satuan pipa

ℎ𝑓= 10,666 . 𝑄 1,85

𝑐1,85 _{. 𝑑}4,85 𝐿

2. Minor Loses yang terjadi akibat adanya perlengkapan (equipment)

pipa, seperti belokan (elbow), valve, saringan dan peralatan lainnya.

ℎ𝑚 = ∑ 𝑘 × 𝑣2 2

2.2TURBIN PELTON

Pemilihan jenis turbin umumnya didasarkan pada besarnya kecepatan spesifik dari kondisi kerjanya. Kecepatan spesifik adalah kecepatan turbin model (turbin dengan bentuk sama tetapi skalanya berlainan). Kecepatan spesifik dipakai sebagai tanda batasan untuk membedakan tipe roda turbin dan dipakai sebagai suatu besaran yang penting dalam merencanakan turbin air.

Persamaan kecepatan spesifik dinyatakan sebagai :

𝑁𝑠 = 𝑛 √𝑃_𝐻

dimana :

n = Kecepatan turbin pada efisiensi maksimum, (rpm)

P = Daya Turbin, (kW)

Ns = Putaran spesifik, (rpm)

H = Tinggi air jatuh, (meter)

Selanjutnya dengan mengetahui besarnya kecepatan spesifik, maka jenis turbin dapat ditentukan berdasarkan tabel dibawah ini :

`

Tabel 2.2 Kecepatan Spesifik (𝑁 ).

2.2.1 Pengenalan Turbin Pelton

Turbin Pelton termasuk dalam kelompok jenis turbin Impuls. Karakteristik umumnya adalah pemasukan sebagian aliran air ke dalam raner pada tekanan atmosfir. Pada turbin Pelton puntiran terjadi akibat pembelokan pancaran air pada mangkok ganda raner. Oleh karena itu maka turbin Pelton juga disebut Turbin Pancaran Bebas. Penyempurnaan terbesar yang dilakukan Pelton (sebagai penemu turbin) yakni dengan menerapkan mangkok ganda simetris. Bentuk ini pada dasarnya masih tetap berlaku. Punggung pembelah membagi jet menjadi dua paruh yang sama, yang dibelokkan menyamping. Pada dasarnya turbin terdiri atas bagian – bagian : Runner, Nosel dan Rumah Turbin.

a. Runner

Runner turbin Pelton terdiri atas cakra dan sejumlah sudu yang terpasang disekelilingnya. Cakra dipasang ke poros dengan sambungan pasak. Runner kebanyakan merupakan coran tunggal dari baja dengan kandungan 13% Cr. Raner Pelton terbesar memiliki garis tengah lebih dari 5 meter dan berat lebih dari 40 Ton. Selain itu ada pula runner yang antara cakra dengan sudunya terpisah, dimana pemasangan mangkok ke cakra runner ada bermacam macam cara.

b. Sudu (Bucket)

Pembuatan sudu dari belahan pipa atau konstruksi las dengan bahan plat baja sama sekali tidak dianjurkan, karena kekokohannya kurang dan efisiensinya rendah. Sudu bisa dibuat dari beragam bahan. Demikian pula halnya bila runner dicor sebagai satu kesatuan. Selain bahan dari baja tuang yang mengandung unsur Cr 13% dipakai juga bahan dan cara lain, termasuk besi tuang atau paduan seperti kuningan atau almunium atau pencetakan injeksi plastik diperkuat dengan serat gelas.

a) Setengah Silinder b) Mangkuk

Gambar 2.9 Sudu (Bucket)

c. Nosel

Gambar 2.10 Nosel

d. Rumah Turbin

Rumah turbin pelton selain sebagai tempat nosel terpasang, juga berfungsi menangkap dan membelokkan percikan aliran air ke luar mangkok sedemikian hingga baik runner maupun pancaran tidak terganggu. Umumnya rumah turbin dirancang dalam dua bentuk yaitu rumah turbin dan dinamometer disusun tegak dengan rumah turbin dan dinamometer disusun sejajar terhadap poros. Rumah turbin dapat dibuat sederhana dengan konstruksi las dari plat baja.

2.2.2 Karakteristik Gambar Turbin Pelton

Adapun karateristik gambar turbin pelton dibagi dalam 2 jenis yaitu:

1. Karakteristik Gambar Turbin Untuk Head Tetap

a. Gambar Debit vs Efisiensi Maksimal (Q vs ɳ)

Pada gambar 2.12 ini dijelaskan bahwa pada nilai efisiensi maksimal terdapat pada Φ = 0,46, setelahnya mengalami penurunan nilai efisiensi.

b. Gambar Daya vs Efisiensi (P vs ɳ)

Pada gambar gambar 2.13 dijelaskan bahwa semakin tinggi efisiensi semakin tinggi juga daya yang dihasilkan.

Gambar 2.13 Gambar Daya Air vs Efisiensi (P vs ɳ)

2. Karakteristis Gambar Turbin Untuk Variasi Bukaan Katup

a. Gambar Kecepatan Turbin vs Daya Turbin (rpm vs P)

Pada gambar gambar 2.14 dijelaskan bahwa daya turbin akan semakin naik jika rpm juga naik. Dan variasi bukaan katub penuh menjadi daya tertinggi dan rpm tertinggi.

b. Gambar Kecepatan Turbin vs Efisiensi (rpm vs ɳ)

Pada gambar gambar 2.14 dijelaskan bahwa nilai efisiensi turbin akan semakin naik jika rpm juga naik. Dan variasi bukaan katub penuh menjadi daya tertinggi dan rpm tertinggi.

Gambar 2.15 Gambar Kecepatan Turbin vs Efisiensi (rpm vs ɳ)

2.3 KARAKTERISTIK TURBIN PELTON YANG DIGUNAKAN

Turbin yang dirakit adalah Turbin Pelton Mikro, dengan data untuk perencanaan adalah :

Type atau Jenis : Turbin Pelton Mikro

Jumlah Nosel : 1 ( satu )

Posisi Poros : Horizontal (mendatar)

Head : 9,41 m

Kapasitas Air Efektif : 5,8 L/s = 0,0058 m3_/s

2.4DINAMOMETER

Dinamometer adalah instrumen untuk mengukur daya, kerja atau daya

yang dilakukan oleh manusia, mesin dan hewan. Motor bensin dan poros PTO

traktor menghasilkan daya putaran. Dinamo meter tidak mengukur daya secara

langsung, tetapi dinamometer memberikan cara menentukan besarnya torsi yang

mampu dihasilkan oleh suatu motor atau mesin. Daya dapat di ukur dengan alat

yang dinamakan dinamometer, dinamometer adalah alat istrumen untuk mengukur

gaya, kerja, atau daya kerja yang dilakukan manusia, hewan dan mesin. Torsi

ditentukan sebagai hasil dari penggunaan suatu beban dengan dinamometer. Unit

beban (load unit) yaitu bagian dari dinamometer yang menyediakan beban, harus

dapat bebas bergerak pada arah putaran poros. Panjang lengan torsi diukur dari

pusat poros unut daya yang diuji hingga dimana lengan torsi memberikan gaya

pada timbangan. Sedangkan kecepatan poros unit daya yang diuji ditentukan

menggunakan alat yang dinamakan techometer. Ada dua cara pembebana secara

mekanis yaitu, metode “tali-dan-pegas” dan “rem-prony”. Sedangkan secara

hidrolik terdapat dua cara pembebanan pula, yaitu pembebanan “ream air” dan

pompa-gir”. Cara mengkonversi pengukuran torsi kedaya :

HP (horse power) = (gaya x jarak)/(waktu x 33.000)

Rumus ini diberikan oleh james Watt, untuk mengukur daya HP dari “daya

putaran”yaitu :

kW = (Torsi (N.m) x RPM)/9549

HP =(Torsi (lb.ft) x RPM)/5252

Saat ini dinamometer telah berkembang, adapun dinamometer modern

yaitu : Hysterisis Brake : merupakan dinamometer versatil dan ideal untuk

pengujian kisaran daya rendah hingga menengah (maks. 14 kW).

Brake Arus Addy : cocok diaplikasikan yang memerlukan kecepatan tinggi dan

juga pengoprasian daya kisaran menengah hingga tinggi. Dinamo ini memiliki

inersia rendah akibat diameter rotor yang kecil. Power Brake Dinamometer :

magnet, yang merubah sifat-sifat bubuk magnet itu. Seperti dinamometre

histerisis, dinamo powder breke memberikan torsi penuh pada kecepatan nol.

Gambar 2.16 Dinamo Meter

2.5EFISIENSI TURBIN (

𝜼

_𝑻 )

Efisiensi turbin dapat dihitung dengan mengunakan rumus:

𝜂

𝑇

=

_𝑃𝑃_𝑎𝑖𝑟𝑇

x 100 %

Dimana daya air dapat dihitung dengan rumus : Pair = ρ× g × 𝐻𝑒𝑓𝑓× Q

dimana:

 = massa jenis air (1000 kg/m3₎

g = gaya gravitasi (9,81 m/s2)

𝐻𝑒𝑓𝑓 = head efektif (m)

Daya turbin dapat dihitung dengan rumus :

PT = Т×

ω

Dimana ;

PT = Daya Turbin (Watt)

Т = Torsi (Nm)