PRESTASI POMPA SENTRIFUGAL DENGAN IMPELER SETENGAH TERTUTUP SEBAGAI TURBIN

(1)

PRESTASI POMPA SENTRIFUGAL DENGAN IMPELER

SETENGAH TERTUTUP SEBAGAI TURBIN

No : 744/ TA / FST-USD / TM / Januari / 2007

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Jurusan Teknik Mesin

Disusun oleh :

Jimmy Norel NIM : 015214066

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

(2)

THE PERFORMANCE OF A CENTRIFUGAL PUMP

WITH HALF-CLOSED IMPELLER AS TURBINE

No : 744/ TA / FST-USD / TM / Januari / 2007

FINAL PROJECT

Presented as Partial Fulfilment of the Requirements To Obtain the Sarjana Teknik Degree

In Mechanical Engineering

By :

Jimmy Norel

Student Number: 015214066

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY SANATA DHARMA UNIVERSITY

(3)

(4)

(5)

(6)

Penggunaan turbin air pada daerah kerja dibawah 3 kW tidak banyak dan secara ekonomis kurang menguntungkan. Disisi lain semua tipe pompa sentrifugal dari jenis pompa aliran radial sampai dengan aliran aksial berpotensi untuk dioprasikan sebagai turbin air. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui karakteristik dari salah satu pompa sentrifugal yang menggunakan impeler setengah tertutup yang banyak beredar dipasaran sebagai turbin air.

Penelitian ini dilakukan dengan cara memvariasikan kapasitas aliran pompa sebagai turbin pada 6 variasi. Pada penelitian ini yang menjadi sumber adalah pompa dengan kapasitas aliran dan Head yang lebih besar dari pada kapasitas dan head pompa sebagai turbin yang diuji. Dengan menggunakan transmisi sabuk, turbin di hubungkan dengan alternator. Parameter-parameter hasil pengukuran disetiap pengujian pompa sebagai turbin adalah kapasitas aliran yang melalui pompa sebagai turbin, tekanan pada sisi masuk dan keluar, putaran, tegangan dan arus alternator akibat pembebanan.

(7)

dianugerahkan kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Tugas Akhir ini adalah salah satu syarat dalam menyelesaikan studi di Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Terwujudnya penyelesaian penulisan Tugas Akhir ini tidak terlepas dari bantuan banyak pihak, oleh karena itu sudah sepantasnya penulis menghaturkan terima kasih kepada :

1. Ir. Greg. Heliarko, SJ., SS., B.ST., M.A., M.Sc., selaku Dekan Fatultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

2. Budi Sugiarto, S.T., M.T, selaku Kepala Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3. Yosef Agung Cahyananta, S.T, M.T, selaku dosen pembimbing Tugas Akhir yang telah berkenan meluangkan waktu memberi bimbingan dan pengarahan sampai Tugas Akhir ini selesai.

4. Budi Setyahandana, S.T., M.T, selaku dosen pembimbing akademik selama penulis menempuh perkuliahan di Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

(8)

Dharma Yogyakarta.

7. Seluruh Dosen di Jurusan Teknik, Mesin Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta, yang telah memberi ilmu sebagai dasar yang sangat berguna bagi penulis.

8. Bapak Intan, bapak Ronny, bapak Martono dan Seluruh karyawan Laboratorium Jurusan Teknik Mesin maupun sekretariat Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah memberi bantuan informasi dan penggunaan peralatan yang digunakan. Dalam penyusunan Tugas Akhir ini penulis telah berusaha maksimal agar dapat menyelesaikan dengan baik. Namun penulis menyadari masih ada hal-hal yang jauh dari sempurna dalam penulisan Tugas Akhir ini. Untuk itu penulis dengan besar hati akan menerima saran dan kritik yang bersifat membangun dari pembaca demi perbaikan di kemudian hari.

(9)

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ...i

HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ...iii

HALAMAN PENGESAHAN ...iv

HALAMAN PERNYATAAN ... v

INTISARI ...vi

KATA PENGANTAR ... vii

DAFTAR ISI ...ix

DAFTAR LAMBANG ...xiii

DAFTAR TABEL ...xiv

DAFTAR GAMBAR ... xv

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1. LATARBELAKANG MASALAH ... 1

1.2. RUMUSAN MASALAH ... 2

1.3. TUJUAN PENELITIAN ... 3

1.4. BATASAN PENELITIAN ... 3

BAB II DASAR TEORI... 4

2.1. TINJAUAN PUSTAKA ... 4

2.2. LANDASAN TEORI ... 5

2.2.1. Aliran Zat Cair dan Bentuk Energinya ... 5

2.2.2. Persamaan Bernoulli Tentang Bentuk energi ... 5

2.2.3. Daya Yang Masuk ke Turbin ... 8

(10)

2.3. TURBIN AIR ... 19

2.3.1. Perkembangan Turbin Air ... 19

2.3.2. Klasifikasi Turbin Air Menurut Cara Kerjanya ... 20

2.3.2. Klasifikasi Turbin Air Menurut Daya Yang Dihasilkan ... 25

2.4. POMPA SENTRIFUGAL ... 26

2.4.1. Prinsip Dasar Pompa Sentrifugal ... 26

2.4.2. Pemilihan Pompa Sentrifugal ... 28

2.4.3. Jenis-Jenis Pompa Sentrifugal ... 28

2.4.3 1. Pompa Sentrifugal Aliran Radial ... 28

2.4.3 2. Pompa Sentrifugal Aliran Diagonal ... 30

2.4.3 3. Pompa Sentrifugal Aliran Aksial ... 31

2.5. POMPA SEBAGAI TURBIN ... 32

2.6. ALTERNATOR ... 38

2.7. PERSAMAAN-PERSAMAAN YANG DIGUNAKAN ... 40

3.7.1 Persamaan Untuk Menghitung Daya Air ... 40

3.7.2 Persamaan Untuk Menghitung Daya Yang Dihasilkan Turbin ... 41

3.7.3 Persamaan Untuk Menghitung Efisiensi Turbin ... 41

3.7.4 Persamaan Untuk Menghitung Head Kecepatan ... 41

3.7.5 Persamaan Untuk Menghitung Perbandingan Putaran Pada Transmisi Sabuk ... 41

BAB III METODE PENELITIAN ... 42

3.1 DIAGRAM ALIR ... 42

(11)

3.3 SARANA PENELITIAN ... 43

3.3.1 Sarana Pengujian ... 43

3.3.2 Sarana Perhitungan ... 50

3.4 JALANNYA PENELITIAN ... 50

3.4.1 Tahap Persiapan ... 50

3.3.2 Tahap Pelaksanaan Penelitian ... 52

BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN ... 53

4.1 PERHITUNGAN ... 53

4.1.1 Data Penelitian ... 53

4.1.2 Perhitungan dan Pengolahan Data ... 56

4.1.2.1. Perhitungan Daya Air... 56

4.1.2.2. Perhitungan Daya Yang Dihasilkan Turbin ... 57

4.1.2.3. Perhitungan Efisiensi Turbin... 57

4.1.2.4. Perhitungan Head kecepatan ... 57

4.1.2.5. Perhitungan Perbandingan Putaran Pada Transmisi Sabuk ... 58

4.1.3 Hasil Pengolahan dan Perhitungan Data ... 58

4.2 PEMBAHASAN ... 64

4.2.1 Pembahasan Untuk Hasil Prediksi Pengujian 1 ... 64

(12)

4.2.6 Pembahasan secara teoritis... 65

4.3. KENDALA PADA SAAT PENELITIAN... 67

BAB V PENUTUP... 68

5.1 Kesimpulan ... 68

5.2 Saran ... 69

DAFTAR PUSTAKA... 70

LAMPIRAN... 71

Tabel Hasil Perhitungan Ekstrapolasi Pengujian 1 ... 72

(13)

DAFTAR LAMBANG

p

E Energi tempat (Nm)

z

E Energi tekanan (Nm)

k

E Energi kecepatan (Nm)

m Massa (kg)

z Ketinggian (meter)

c Kecepatan fluida (m/detik)

in

p Tekanan masuk (Pascal)

out

p Tekanan keluar (Pascal)

in

P Daya air (Watt)

out

P Daya turbin (Watt)

P1 Daya turbin (Watt)

P2 Daya alternator (Watt)

P Daya listrik (Watt)

•

V Debit air (m3/detik) m Massa aliran air (kg/detik)

T

η Efisiensi turbin

H Head total air (meter) Hp Head tekanan m(meter)

Hc Head kecepatan (meter)

(14)

g Percepatan gravitasi (m/detik2)

V Tegangan (Volt) I Arus listrik (Ampere) n1 Putaran poros turbin (rpm)

n2 Putaran alternator (rpm)

F1 Gaya yang terjadi akibat putaran turbin pada sisi pully pada poros turbin

(Newton)

F2 Gaya yang terjadi akibat putaran turbin pada sisi pully pada poros

(15)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Jenis impeller pompa sentrifugal aliran radial ... 29

Tabel 4.1. Data pengujian 1 ... 53

Tabel 4.7. Data hasil perhitungan pengujian 1... 58

(16)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Skema perubahan bentuk energi. ... 5

Gambar 2.2. Bentuk energi dalam aliran air ... 6

Gambar 2.3. Terjadinya gaya karena pembelokan aliran air ... 9

Gambar 2.4. Analogi terjadinya gaya pada turbin dan pompa... 11

Gambar 2.5. Pengaruh kelengkungan sudut pada roda jalan ... 12

Gambar 2.6. Momen puntir yang terjadi pada dua jenis roda jalan turbin ... 14

Gambar 2.7. Korelasi tinggi air jatuh terhadap bentuk sudu... 15

Gambar 2.8. Luasan merupakan komponen dari kecepatan ... 16

Gambar 2.9. Grafik informatif daerah penggunaan dari beberapa jenis konstruksi turbin yang berda... 18

Gambar 2.10. Skema perubahan Head pada turbin Pelton (kiri), irisan penampang nozzle dan ember sudu (kanan atas), bagan kecepatan pada turbin Pelton (kanan bawah)... 21

Gambar 2.11. Skema (sebelah kiri) dan bagan kecepatan pada Turbin Aliran Ossberger (sebelah kanan) ... 22

Gambar 2.12. Dua tipe Turbin Francis, tipe horizontal (kiri) dan tipe vertical (kanan)... 23

Gambar 2.13. Skema Turbin Francis dan perubahan Headnya... 24

(17)

Gambar 2.15. Poligon kecepatan yang terjadi pada sisi masuk dan sisi

keluar yang dialami bagian sudu, kisi-kisi sudu, gaya yang

dialami sudu ... 25

Gambar 2.16. Bagan aliran fluida di dalam pompa sentrifugal ... 26

Gambar 2.17. Segitiga kecepatan pada sisi masuk dan sisi keluar pada impeller pompa... 27

Gambar 2.18. Karta untuk menghitung kecepatan putar spesifik impeller... 29

Gambar 2.19. Skema impeller pompa sentrifugal aliran radial dari tekanan tinggi ke tekanan rendah (ki-ka) ... 30

Gambar 2.20. Skema impeller pompa sentrifugal aliran setengah aksia ... 31

Gambar 2.21. Skema impeller pompa sentrifugal aliran setengah aksial ... 31

Gambar 2.22. Perbandingan roda jalan turbin dan impeller pompa ... 33

Gambar 2.23. Segitiga kecepatan pada efisiensi maksimum pada mesin pompa yang dioperasikan sebagai pompa dan sebagai turbin ... 34

Gambar 2.24. Grafik kinerja mesin pompa yang dioperasikan sebagai pompa dan sebagai turbin pada putaran kerja yang sama ... 36

Gambar 2.25. Skema alternator... 39

Gambar 3.1. diagram alir penelitian... 42

Gambar 3.2. Skema alat penelitian ... 44

Gambar 4.1a. Grafik Daya, Efisiensi dan Torsi vs nq disetiap pembebanan ... 61

Gambar 4.1b. Grafik Daya, Efisiensi dan Torsi vs nq disetiap pembebanan ... 62

Gambar 4.2. Grafik Daya Yang Dihasilkan Turbin vs Beban. ... 62

(18)

Gambar 4.4. Grafik Ekstrapolasi Putaran Turbin vs Beban... 63

Gambar 4.5. Grafik Efisiensi, BHP, Debit, Putaran dan Head vs Kecepatan

Massa Air Rata-Rata ... 65

Gambar 4.6. Grafik Efisiensi, Daya output dan Torsi vs Putaran... 66

Gambar 4.7. Grafik Head dan Efisiensi vs nq jika dioprasikan pada

(19)

1.1 LATAR BELAKANG MASALAH

Hydropower adalah salah satu hasil usaha pengembangan manusia untuk

mendapatkan sumber energi alternatif baru khususnya energi listrik yang lebih

mudah didapat dan diterapkan guna mengurangi penggunaan sumber energi yang

berasal dari perut bumi (bahan bakar fosil) yang saat ini keberadaannya semakin

menipis dikarenakan eksploitasi yang berlebihan.

Energi air hingga sekarang menjadi salah satu sumber energi utama yang

digunakan untuk membangkitkan energi listrik agar bisa digunakan secara luas.

Walaupun masih memiliki kekurangan, tetapi dampak lingkungan yang

diakibatkan oleh pembangkit tenaga air relatif lebih rendah resikonya

dibandingkan dengan pembangkit tenaga diesel maupun pembangkit tenaga

nuklir.Tenaga air merupakan salah satu sumber energi yang dapat meminimalisir

penggunaan dari produk-produk yang membutuhkan bahan bakar yang berasal

dari fosil (minyak bumi, batu bara, gas alam, dan lain-lain), walaupun saat ini

belum dimungkinkan dan ditemukan alat yang bisa mengubah energi air yang

berefisiensi (dari energi yang dihasilkan) lebih besar dari pembangkit energi

dengan bahan bakar fosil, tetapi sejalan perkembangan zaman manusia sadar akan

dampak tidak baik jika memakai bahan bakar fosil jika tidak dibatasi.

Dari data yang dikeluarkan oleh Departemen Energi dan Sumber Daya

(20)

2003-2020 : Kebijakan Energi Yang Terpadu Untuk Mendukung Pembangunan

Nasional Berkelanjutan, pemanfaatan energi air di Indonesia masih sangat kecil,

baru sekitar 2,5% dari potensi yang bisa mencapai 75000 MW. Di Indonesia

terdapat 1315 kawasan yang berpotensi menjadi sumber energi tenaga air, dan

daerah-daerah tersebut tersebar dari Sabang sampai Marauke. Daerah-daerah yang

diprediksi memiliki potensi tersebut, antara lain : Pulau Papua 22371 MW, pulau

Kalimantan 21611 MW, pulau Sumatra 15804 MW, pulau Sulawesi 10203 MW,

pulau Jawa 4531 MW, kepulauan Nusa Tenggara (Bali, NTB dan NTT) 674 MW

dan kepulauan Maluku 430 MW. Data-data diatas merupakan sumber pembangkit

tenaga air dengan kapasitas besar, belum termasuk sumber-sumber pembangkit

tenaga air dengan kapasitas kecil.

1.2 RUMUSAN MASALAH

Karena penggunaan turbin yang relatif digunakan untuk keperluan massal

(public sevice) atau industri-industri berskala besar; pada interval kerja di bawah

3 kW (Pico Hydro-Power) sangat jarang sekali turbin yang diproduksi, maka

harga dari turbin air tersebut relatif sangat mahal dan tidak banyak pilihan

terutama di Indonesia. Oleh karena itu diperlukan suatu teknologi terapan untuk

mengatasi penyebaran energi yang tidak merata, terutama dalam bentuk energi

listrik. Karena secara sistem kerja pompa merupakan kebalikan dari turbin dan

(21)

1.3 TUJUAN PENELITIAN

Penelitian yang dilakukan bertujuan untuk mengetahui prestasi salah satu

jenis pompa centrifugal satu tingkat yang ada dipasaran jika dijadikan turbin,

Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan tambahan pengetahuan tentang

rekayasa tenaga air atau hydro-power, terutama yang berkaitan dengan

pemanfaatan pompa sebagai turbin.

1.4 BATASAN MASALAH

Agar penelitian ini tidak terlalu luas dan tetap berada dalam jangkauan

penulis, maka perlu adanya batasan masalah. Untuk itu, dalam penelitian tentang

“Pompa sebagai turbin”batasan yang hendak ditetapkan sebagai berikut :

a) Pompa sebagai turbin yang digunakan sebagai sarana percobaan

kondisinya bukan pompa baru dan tidak diketahui spesifikasinya. Penulis

mencari data tentang pompa yang digunakan dengan cara mengambil data

dari pompa yang bentuk serta ukurannya sama seperti pompa yang dijual

dipasaran.

b) Pembahasan hanya bekisar tentang pengaruh bukaan katup terhadap daya

input pompa sebagai turbin, putaran pompa sebagai turbin, daya output

pompa sebagai turbin yang telah dikonversi menjadi elergi listrik,torsi

yang digunakan untuk menghasilkan daya listrik dan efisiensi pompa

sebagai turbin yang mengacu pada daya input disetiap variasi bukaan

(22)

2.1 TINJAUAN PUSTAKA

Sebagai referensi penelitian ini bersumber dari beberapa

penelitian-penelitian yang telah dilakukan tentang penggunakan mesin pompa standard

sebagai turbin, penelitian-penelitian terebut antara lain :

a. Penelitian yang dilakukan oleh Made Suarda dan rekan-rekan, dari

Fakultas Teknik, Jurusan Teknik Mesin, Universitas Udayana, Bali, 2006.

Hasil dari penelitian tersebut adalah memperbaiki efisiensi mesin pompa

sebagai turbin yang menggunakan impeller tertutup dengan memodifikasi

saluran keluar dari impeller pompa. Hasilnya terjadi peningkatan nilai

efisiensi pada kecepatan putar 1580 rpm dari 29,95 % menjadi 37,50 %.

b. Penelitian atas kerja sama antara MSc. A. Tamm dan Prof. Dr. Ing. B.

Stoffel, Dr. Ing. G. Ludwig yang berasal dari TU Darmstadt, Institute of

Turbomachinery dan Fluid Power, Darmstadt, Jerman. Serta Mech. Ing. A

Braten yang berasal dari NTNU Trondheim, Faculty for Mechanical

Engineering, Trondheim, Norwegia. Hasil penelitian ini adalah

perbandingan perhitungan dengan persamaan Stepanoff (untuk

menentukan head turbin dan debit turbin) dengan perhitungan secara

komputasi. Terjadi deviasi sebesar 3,5% pada perhitungan debit dan 1,7%

(23)

2.2 LANDASAN TEORI

2.2.1Aliran Zat Cair dan Bentuk Energinya

Hukum Newton menyatakan tentang kekekalan energi, yang berarti energi

tidak dapat dimusnahkan dan tidak dapat diciptakan tetapi dapat diubah menjadi

energi lain. Dengan melihat kaidah hukum itu maka air yang mengalir

mengandung energi dan energi tersebut dapat diubah bentuknya, misalnya

perubahan dari energi potensial kedalam energi kinetik, atau sebaliknya.

Gambar 2.1. Skema perubahan bentuk energi

2.2.2Persamaan Bernoulli Tentang Bentuk Energi

Pada suatu aliran air di dalam pipa, diambil suatu selisih ketinggian z

antara tinggi air atas dan tinggi air bawah, maka menurut Bernoulli, besar energi

aliran tersebut adalah:

2

2 c m p m z g m

W = ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅

ρ (Nm) (Dietzel) (2.1)

energi potensial

(24)

Gambar 2.2 Bentuk energi pada aliran air.(Dietzel)

Bila pada aliran tersebut diatas diambil suatu jumlah air tiap 1kg untuk

diperhitungkan, hal ini dinamakan “spesifik energi” satuannya dalam Nm/kg.

Karena dibagi m akan didapat:

= + + ⋅ = 2 2 c p z g w

ρ konstan (Nm/kg) (Dietzel) (2.2)

Kemudian dibagi lagi dengan percepatan gravitasi g, akan didapat salah

satu ruas dari persamaan Bernoulli, yang mempunyai arti ”ketinggian”:

= + ⋅ + = g c g p z H 2 2

ρ konstan (m) (Dietzel) (2.3)

Dengan:

z = tinggi statis (m),

g p

⋅

ρ = tinggi tekanan (m)

g c

2

= tinggi kecepatan (m)

a) Energi Potensial

z g m

(25)

dengan:

w = Energi potensial (N.m)

m = Massa (kg)

g = Gravitasi (m/s2)

z = Tinggi posisi terhadap acuan (m)

b) Energi tekan

ρ p m

w= ⋅ (Dietzel) (2.5)

dengan:

w = Energi tekan (Nm)

m = Massa (kg)

p = Tekanan (N/m2)

ρ = Massa jenis fluida (kg/m3)

c) Energi kecepatan

2

c m

w= ⋅ (Nm) (Dietzel) (2.6)

w = Energi kecepatan (Nm) m= Massa (kg)

(26)

Arti selanjutnya dari kaidah kekekalan energi adalah apabila arus air

dalam alirannya dilewatkan melalui turbin air, maka energi yang ada dalam air

akan diubah menjadi bentuk energi yang lain.

2.2.3Daya yang Masuk ke Turbin

Dari kapasitas air

.

V dan tinggi air jatuh Hdapat diperoleh daya yang

masuk ke turbin:

h H g V

P= .⋅ρ⋅ ⋅ ⋅η (Dietzel) (2.7)

dengan :

=

P Daya yang masuk ke turbin (W)

=

.

V Kapasitas air (m3/detik)

=

ρ Massa jenis air (kg/m3)

=

g Percepatan gravitasi (m/detik2)

=

H Tinggi air jatuh (m)

h

η = Randemen hidraulik

Bila massa aliran

.

m dan tinggi air jatuh telah diketahui, maka daya

yang dihasilkan:

h H g m

P= .⋅ ⋅ ⋅η (Dietzel) (2.8)

dengan :

=

.

(27)

2.2.4Dinamika Turbin

Suatu benda yang berlubang seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3. , jika

secara teratur dialiri air dengan kecepatan c1 dan membentuk sudut α1, sejajar

dengan dinding batas benda tersebut. Aliran air m akan belok dan keluar dengan

membentuk sudut α₂.

Gambar 2.3. Terjadinya gaya pada pembelokan aliran air. (Dietzel)

Penampang di bagian keluar A2 lebih kecil dari pada A1, berarti kecepatan

keluar c2 lebih besar dari pada c1. dari gambar dan bentuk peralatan serta arah

aliran dapat diperkirakan bagaimana asalnya gaya F. besarnya gaya ini menurut

kaidah pergerakan atau inpuls.

F x t = (m x c1) – (m x c2) (Dietzel) (2.9)

Jika t dipindahkan ke sisi kanan maka persamaan tersebut menjadi :

(

c1 c2

)

F =

m

• − (Dietzel) (2.10)

Atau :

(

c1 c2

)

F =

V

• ×ρ − (Dietzel) (2.11)

Dengan :

(28)

c1.= kecepatan fluida pada sisi masuk (m/s)

c2 = kecepatan fluida pada sisi keluar (m/s)

Supaya diperhatikan, bahwa menurut kaidah impuls untuk perbedaan

geometri dari bagian-bagian yang bergerak didapat dari

m

• ×c₁ dan

m

• ×c₂.

Dengan memperhatikan sudut aliran masuk dan keluar, maka gaya yang

terjadi dapat diuraikan dalam arah sumbu x dan sumbu y, seperti ditunjukkan

pada Gambar 2.3.

(

1 cosα1 2 cosα2

)

ρ × − ×

×

= • c c

F_x

V

(Dietzel) (2.12)

(

1 sinα1 2 sinα2

)

ρ × − ×

×

= • c c

F_y

V

(Dietzel) (2.13)

a) Pemindah Gaya ke Turbin

Bejana pada Gambar 2.4 diletakkan di atas kereta yang bisa bergerak

tanpa gesekan, ke dalam bejana tersebut dialirkan air, maka kereta akan

meluncur dengan kecepatan u sambil menarik tali penggantung beban.

Melalui sudu pengarah yang tetap, air dialirkan ke dalam bejana dengan

membentuk sudut α₁_{dan kecepatan c}₁_{. satu bagian kecil air pada titik a}

bergerak pindah ke dalam bejana dengan sudut α₁ dan kecepatan c1 ke arah

titik c1, tetapi pada waktu yang bersamaan air tersebut juga bergerak dengan

kecepatan u ke arah u1. dengan digabarnya c1 dan u bersama-sama didapat

arah dan besarnya kecepatan w1 bagian kecil air bergerak di dalam bejana

dengan arah dan kecepatan w1. dengan demikian segi tiga kecepatan air

(29)

Gambar 2.4. Analogi gaya yang terjadi pada turbin dan pompa. (Dietzel)

Untuk gambar segitiga kecepatan bagian air ke luar didapat sebagai

berikut, bila satu bagian kecil air z dalam mengalirnya sampai dibagian

ujung keluar bejana kecepatannya berubah dari c1 ke c2 disebabkan karena

pengecilan penampang A2/A1 dan kelengkungan bejana.

Di titik z digambar harga u2 (pada persoalan ini u2 = u1 =u) dan

digambar pula w2 yang sesuai besar dan arahnya, dengan digambarnya c2 di

dapat segitiga kecepatan keluar. Penjelasan diatas sesuai dengan dalil

penjumlahan vector, sebagai keterangan berikut aksara-aksara yang menjadi

simbol :

c = kecepatan mutlak rata-rata massa air (m/s)

(30)

w = kecepatan relatif air terhadap roda jalan turbin (m/s)

α _{= sudut yang terbentuk antara garis kerja c dan garis kerja u (˚)}

β = sudut yang terbentuk antara gari kerja w dan u (˚)

subscript 1 = komponen sisi masuk turbin

subscript 2 = komponen sisi keluar turbin

Untuk mengetahui besar gaya yang dialami roda jalan turbin digunakan

persamaan :

(

u u

)

u w w

F =

V

• ×ρ× ₁ − ₂ (Dietzel) (2.14)

(

a a

)

a w w

F =

V

• ×ρ× ₁ − ₂ (Dietzel) (2.15)

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4 notasi u menjelaskan

komponen kecepatan yang diproyeksikan terhadap garis kerja kecepatan

roda turbin dan notasi a menjelaskan komponen kecepatan yang

diproyeksikan terhadap garis yang tegak lurus terhadap garis kerja

kecepatan roda turbin. Untuk kapasitas yang sama, pada kelengkungan yang

lebih tajam akan diperoleh gaya yang lebih besar (seperti ditunjukkan pada

Gambar 2.5 ), jadi persamaan menjadi :

(

)

(

u u

)

u w w

F =

V

× × ₁ − − ₂

•

ρ =

V

× ×

(

w1u +w2u

)

•

ρ

(31)

Tetapi tidak semua turbin air mempunyai sudu-sudu yang belakangnya

tajam, karena hal ini ada hubungannya dengan kapasitas air, tinggi air jatuh

dan kecepatan putar roda turbin, jadi dari alasan-alasan konstruksi dan

ekonomilah yang membuat pembuatan turbin harus tertentu. Selain dengan

kecepatan relatif, besar gaya dapat juga dihitung dengan memakai kecepatan

absolut dari air.

u c

w₁_u = ₁_u − w₂_u =c₂_u −u

(

u u

)

u c c

F =

V

× × ₁ − ₂

•

ρ (Dietzel) (2.17)

Yang perlu diperhatikan dalam perhitungan dari kecepatan absolut air

ini adalah arah dari pada sisi masuk dan sisi keluar.

b) Momen Puntir

Aliran air di dalam bejana bisa asumsikan sebagai aliran air di dalam

saluran sudu-sudu yang terdapat pada roda turbin, seperti yang ditunjukkan

Gambar 2.6, r adalah jarak dari titik pusat ke tempat bekerjanya gaya

tangensial Fu, maka pada poros turbin akan bekerja momen :

(

u u

)

u r V rw rw

F

M = × = × × ₁ ₁ − ₂ ₂

•

ρ (Dietzel) (2.18)

Atau :

(

u u

)

u r V rc r c

F

M = × = •×ρ× ₁ ₁ − ₂ ₂ (Dietzel) (2.19)

(32)

Gambar 2.6. Momen puntir yang terjadi pada dua tipe roda jalan turbin. (Dietzel)

Jari-jari r1 dan r2 tiap-tiap turbin tidak sama, ditentukan kepada cara dan

banyaknya air yang dialirkan.

Persamaan Euler tentang turbin, pada kecepatan sudut yang tetap

(ώ_{)/putaran tetap, harga kecepatan keliling roda turbin (u) dari sisi masuk}

dan sisi keluar ditentukan oleh radius sisi masuk dan radius sisi keluar.

1

1 r

u =ω× u₂ =ω×r₂

Maka dari persamaan Euler tentang daya turbin :

(

rcu rc u

)

V

P= × × × ₁ ₁ − ₂ ₂

•

ω ρ

Menjadi :

(

ucu u c u

)

V

P= × × ₁ ₁ − ₂ ₂

•

ρ (Dietzel) (2.20)

c) Tinggi Air Jatuh

Dilain pihak untuk kapasitas dan tinggi air jatuh yang telah diletahui,

daya yang dihasilkan turbin :

T

H g V

(33)

Bila disamakan akan menjadi :

(

u u

)

T V u c u c

H g V

P= •×ρ× × ×η = •×ρ× ₁ ₁ − ₂ ₂

Dari sini didapat rumus utama untuk turbin air dan biasanya disebut rumus

Euler Turbin :

(

)

T u u g c u c u H η × −

= 1 1 2 2 _(Dietzel) _(2.21)

Dari rumus di atas dapat diketahui adanya hubungan pemanfaatan tinggi

air jatuh dengan bentuk sudu jalan, untuk mendapatkan ringkasan yang baik,

kecepatan absolut (c) diganti dengan komponen di dalam sudu gerak, yaitu

kecepatan relatif air terhadap roda jalan turbin (w), maka rumus tersebut

menjadi :

(

)

T u u g w u w u H η × −

= 1 1 2 2 _(Dietzel) _(2.22)

Bila pada persamaan sebelah kiri harga H kecil, berarti harga persamaan

yang di sebelah kanan pun kecil. Hal ini samgat besar pengaruhnya dalam

menentukan arah w2u apakah dibuat sama atau berlawanan arah dengan w1u.

(34)

Untuk sumber pembangkit yang mempunyai tinggi air jatuh yang kecil

biasanya dengan debit yang besar akan menghasilkan nilai H yang kecil

karena arah dari w1u dan w2u searah, sedangkan pada sumber pembangkit

yang memiliki tinggi air jatuh yang besar dengan debit yang kecil akan

mengasilkan nilai H yang besar karena untuk menghasilkan daya yang besar

dengan debit yang kecil maka nilai H harus diperbesar.

d) Debit Air

Luas penampang saluran A1 tergantung kepada kapasitas aliran air. dari

persamaan kontinuitas :

A1= luas penampang saluran, D1= diameter roda jalan turbin sisi masuk, b1=

lebar saluran pengarah. Jadi disini ada juga hubungannya dengan diameter

roda turbin, yang berarti ada juga pengaruhnya terhadap besarnya u1. dengan

pemilihan lebar b berarti diameter roda D tertentu dan dengan demukian

bentuk roda turbin juga tertentu.

(35)

e) Kecepatan Putar Turbin

Dalam pemilihan kecepatan putaran sedapatnya ditentukan setinggi

mungkin karena dengan kecepatan putar yang tinggi akan didapat momen

puntir yang kecil, poros yang kecil, dan diameter roda turbin yang kecil,

serta bagian-bagian yang lain juga mengikuti.

f) Kecepatan Spesifik

Kecepatan spesifik (nq) dipakai sebagai tanda bataasan untuk

membedakan tipe roda turbin dan dipakai sebagai suatu besaran yang

penting dalam merencanakan turbin air.

Arti dari nq itu sendiri adalah kecepatan putaran roda turbin yang

bekerja pada tinggi air jatuh 1m dan kapasitas air sebesar 1 m3/detik.

Suatu roda turbin yang bekerja pada tinggi air jatuh yang berbeda dan

kapasitas air yang berbedea, serta bekerja pada putaran yang telah

ditentukan (biasanya kecepatan generator sudah ditetapkan) dan mempunyai

harga nq yang sama, maka turbin tersebut secara geometri/bentuk adalah

serupa/sebangun. Besarnya ukuran-ukuran pokoknya adalah berbeda.

Diameter roda turbin berbeda dan lebar rodanyapun berbeda, tetapi bentuk

sudu, sudut sudu pengarah dan sudut sudu jalan, perbandingan diameter

roda/ lebarnya adalah sama.

Dilain pihak suatu turbin bisa direncanakan untuk kecepatan putar pada

nilai tertentu, tinggi air jatuh yang sama, kapasitas air sama, tetapi bekerja

(36)

besarnya daya yang dihasilkan turbin sama, akan memberikan bentuk roda

dan kecepatan spesifik yang berbeda pula.

Bentuk persamaan untuk menentukan nilai dari kecepatan spesifik

adalah :

75 , 0 H n

n_q

V

•

= (Dietzel) (2.23)

nq = kecepatan putar spesifik (rpm)

n = kecepatan putar generator

H = Head posisi/tinggi air jatuh

V

• = debit air

Gambar 2.9. Grafik informatif daerah penggunaan dari beberapa jenis konstruksi

(37)

2.3 TURBIN AIR

Turbin air adalah salah satu komponen dari pembangkit listrik tenaga air

(PLTA). Turbin air sendiri berfungsi sebagai pengubah energi mekanik dalam

hal ini puntiran menjadi energi listrik dengan bantuan komponen lainnya, energi

ini diambil dari air yang memanfaatkan aliran, tinggi air jatuh dan cara lainnya.

Energi puntiran yang dihasilkan oleh turbin diteruskan untuk memutar generator

yang selanjutnya menghasilkan energi listrik.

2.3.1Perkembangan Turbin Air

Perkembangan turbin air sulit untuk ditelusuri karena banyaknya acuan

yang terdapat dalam berbagai jurnal dan kadang tidak saling mendukung satu

dengan yang lain. Perkembangan turbin air mulai terlihat pada abad-19:

I. Pada tahun 1826 Benoit Fourneyron mengembangkan sebuah turbin air

berefisiensi 80%. Air diarahkan menyimpang melalui turbin runner

sehingga turbin runner berputar (turbin aliran keluar).

II. Pada tahun sebelumnya sekitar tahun 1820, Jean- Victor Poncelete

mendisain turbin air aliran dalam, dengan menggunakan prinsip yang sama

dia mendapat U.S.paten di tahun 1838.

Pada tahun 1848 James B. Francis mengembangkan disain turbin air aliran

dalam untuk mendapatkan efisiensi yang lebih tinggi (90%). Yang disebut

(38)

2.3.2 Klasifikasi Turbin AirMenurut Cara Kerja

Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, tapi secara

umum turbin air dikelompokkan menurut cara turbin tersebut merubah dari

energi air menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini turbin air dibagi

menjadi dua yaitu :

1) Turbin Impuls.

Yang dimaksud turbin impuls adalah turbin air yang cara bekerjanya

dengan merubah energi potensial air tersedia menjadi energi kinetik untuk

memutar turbin, sehingga menjadi energi puntir. Pada turbin ini

menggunakan prinsip impuls-momentum, karena momen puntir terjadi

akibat tumbukan massa air pada kecepatan tertentu dengan ember sudu

dari roda jalan turbin. yang perlu diperhatikan adalah proses terjadinya

momen puntir tersebut pada tekanan tetap/atmosfir, jadi tidak ada energi

tekanan yang mempengaruhi selain energi kecepatan air. Tipe Turbin yang

menggunakan prisip tersebut, antaran lain :

a. Tubin Pelton

Yang menjadi ciri khusus dari turbin ini adalah nosel dan sudu

roda jalan yang dirancang khusus. Pancaran air yang keluar dari nosel

dengan kecepatan tinggi menghantam sudu di tengah-tengah dan

karena bentuk dari sudu tersebut seperti dua mangkuk yang

berdimensi sama besar yang berdampingan, akibatnya roda jalan

turbin akan bergerak searah dengan arah tangensial dari kecepatan

(39)

terhadap roda jalan membentuk sudut terhadap arah kecepatan absolut

air, ini disebabkan bentuk geometri dari sudu roda jalan. Biasanya

turbin ini diaplikasikan pada head turbin yang tinggi, atau kesepatan

spesifik dibawah 15 rpm.

Gambar 2.10. Skema perubahan Head pada turbin Pelton (kiri), irisan penampang nozzle dan

ember sudu (kanan atas), bagan kecepatan pada turbin Pelton (kanan bawah).(Dietzel)

b. Turbin Aliran Ossberger

Turbin aliran Ossberger pemasukan air ke sudu turbin secara

radial. Air dialirkan melewati sudu-sudu jalan yang berbentuk silinder,

pertama-tama air dari luar masuk ke dalam sudu-sudu dan kemudian

dari dalam keluar. Jadi kerjanya roda jalan trbin ini adalah seperti

turbin peltn yaitu hanya sebagian susu-sudu saja yang berkerja

membalikkan aliran air.

(40)

kurang lebih 20% dari daya yang dihasilkan dari tingkat pertama, jadi

faedahnya tetap ada dan air tapa ada kesulitan bisa meninggalkan roda

jalan.

Gambar 2.11. skema (sebelah kiri) dan bagan kecepatan pada Turbin Aliran Ossberger

(sebelah kanan). (Dietzel)

Perkembangan selanjutnya turbin ini mengalami modifikasi yang

dilakukan oleh Michell yang berasal dari Australia dan Bangki yang

berasal dari Honggaria, dengan menambahkan pipa hisap pada sisi

keluar dari turbin. Dengan modifikasi ini meningkatkan randemen dari

turbin ini. Turbin ini sangat cocok pada pembangkit tenaga air

bersekala kecil. Kecepatan spesifik turbin ini terletak antara 11 rpm

sampai dengan 50 rpm.

2) Turbin Reaksi.

Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang momen

puntirnya dihasilkan dari merubah sebagian energi potensial air yang

tersedia menjadi energi tekanan dan energi kecepatan dari massa air.

Berbeda dengan turbin impuls, pada turbin reaksi ketika massa air

(41)

pada sisi masuk dan sisi keluar dari roda jalan tersebut. Karena

perebedaan tekanan kerja yang terjadi pada sisi masuk dan sisi keluar dari

roda jalan turbin maka turbin ini disebut turbin reaksi. Turbin air reaksi

terdiri dari beberapa tipe, yaitu:

a. Turbin Francis

Turbin Francis bekerja dengan memakai proses tekanan lebih.

Pada waktu air masuk ke roda jalan. Pada waktu air masuk ke roda

jalan, sebagian dari energi tinggi jatuh telah bekerja di dalam sudu

pengarah diubah sebagai kecepatan arus masuk. Sisa energi tinggi

jatuh dimanfaatkan di dalam sudu jalan, dengan adanya pipa isap

memungkinkan energi tinggi jatuh bekerja disudu jalan dengan

semaksimum mungkin. Pada sisi sebelah keluar roda jalan terdapat

tekanan kerendahan (kurang dari 1 atmosfir) dan kecepatan aliran air

yang tinggi. Di dalam pipa isap kecepatan aliran akan berkurang dan

tekanannya akan kembali naik, sehingga air bisa dialirkan keluar lewat

saluran air bawah dengan tekanan seperti keadaan sekitarnya.

Gambar 2.12. Dua tipe Turbin Francis, tipe horizontal (kiri) dan tipe vertical

(kanan).(Dietzel)

Pipa isap pada tubin ini mempunyai tugas yang mirip dengan sudu

(42)

Gambar 2.13. Skema Turbin Francis dan perubahan Headnya.(Dietzel)

b. Turbin Propeller/Kaplan

Gambar 2.14. Skema dua jenis Turbin Propeller, poros vertikal (kiri) dan poros

horizontal (kanan). (Dietzel)

Turbin jenis ini merupakan pengembangan dari turbin Francis,

sesuai dengan rumus Euler jika tinggi air jatuh semakin sedikit maka

semakin sedikit belokan pada sudu roda jalan. Untuk memperbesar

daya dengan Head yang sedikit maka kapasitas aliran air harus besar

(43)

besar. Saat pertama kali dikembangkan dirancang dan dibuat dengan

sudu yan tidak dapat diatur atau fixed blade, tetapi karena sudu tidak

dapat diatur, maka efesiensinya berkurang jika digunakan pada

kisaran debit yang lebar. Oleh karena itu maka dikembangkanlah

jenis baru dengan sudu yang dapat diatur atau adjustable blade,

contoh dari turbin ini antara lain: Kaplan, Nagler, Bulb, Moody.

Gambar 2.15. Poligon kecepatan yang terjadi pada sisi masuk dan sisi keluar yang

dialami bagian sudu, kisi-kisi sudu, gaya yang dialami sudu.(Dietzel)

2.3.3 Klasifikasi Turbin Menurut Daya yang Dihasilkan

Dari daya yang dihasilkan, turbin dapat dikatagorikan menjadi :

• Large Hydro-Power

Interval daya yang dihasilkan turbin mencapai 50 MW keatas.

• Medium Hydro-Power

Interval daya yang dapat dihasilkan turbin antara 10 MW – 50 MW.

• Small Hydro-Power

(44)

• Mini Hydro-Power

Interval daya yang dapat dihasilkan turbin antara 101 kW – 1000 kW.

• Micro Hydro-Power

Interval daya yang dapat dihasilkan turbin antara 3 kW – 100 kW.

• Pico Hydro-Power

Interval daya yang dapat dihasilkan turbin sampai dengan 3 kW.

2.4POMPA SENTRIFUGAL

2.4.1Prinsip Dasar Pompa Sentrifugal

Pompa sentrifugal, seperti diperlihatkan dalam Gambar 2.16, mempunyai

sebuah impeller (roda jalan) untuk memindahkan zat cair dari suatu

kondisi/keadaan yang memiliki Head yang lebih rendah ke suatu

kondisi/keadaan yang memiliki Head yang lebih tinggi.

Gambar 2.16. Bagan aliran fluida di dalam pompa sentrifugal

Daya dari motor penggerak diberikan kepada poros pompa untuk

memutarkan impeler di dalam zat cair. Maka zat cair yang ada di dalam

impeller, oleh dorongan sudu-sudu ikut berputar. Karena timbul gaya sentrifugal

(45)

sudu-sudu. Di sini head tekanan zat cair menjadi lebih tinggi. Demikian pula

head kecepatannya bertambah besar karena zat cair mengalami percepatan. Zat

cair yang keluar dari impeller ditampung oleh saluran berbentuk volut (spiral) di

sekeliling impeler dan disalurkan ke luar pompa melalui nosel. Di dalam nosel

ini sebagian head kecepatan aliran diubah menjadi head tekanan.

Gambar 2.17. Segitiga kecepatan pada sisi masuk dan sisi keluar pada impeller pompa.(Dietzel)

Jadi impeler pompa berfungsi memberikan kerja kepada zat cair

sehingga energi yang dikandungnya menjadi bertambah besar. Selisih energi per

satuan berat atau head total zat cair antara sisi keluar/tekan dan sisi masuk/isap

pompa disebut head total pompa.

Dari uraian di atas jelas bahwa pompa sentrifugal dapat mengubah

energi mekanik dalam bentuk kerja poros menjadi energi fluida. Energi inilah

yang mengakibatkan pertambahan head tekanan, head kecepatan, dan head

(46)

2.4.2Pemilihan Pompa Sentrifugal

Beberapa data hidraulik pompa seperti kapasitas aliran, Head dan putaran

motor yang digunakan telah distandarisasi, ini secara ekonomi sangat

membantu, dan untuk pelayanan purna-jualnya (perawatan dan perbaikan) lebih

mudah.

Seperti karta pada Gambar 2.18 merupakan salah satu alat bantu perhitungan

untuk pemilihan pompa. Setelah perhitungan dan didapat data hidraulik yang

diperlukan untuk memilih pompa ( kapasitas aliran, Head dan kecepatan putaran

motor), kemudian untuk mencari kecepatan spesifik dan menentukan jenis roda

jalan yang digunakan. Jika kecepatan spesifiknya lebih kecil dari 10 rpm, maka

dibutuhkan lebih dari satu tinggkat pompa. Biasanya setiap pabrikan pompa

telah menyediakan grafik kinerja pompa produksinya, ini untuk mempermudah

konsumen dalam memilih sesuai dengan kebutuhannya. Rumus mencari

kecepatan spesifik pompa sama dengan rumus kecepatan spesifik turbin

(persamaan 2.23.).

2.4.3Jenis-Jenis Pompa Sentrifugal

2.4.3.1.Pompa sentrifugal aliran radial

Yang dimaksud dengan pompa sentrifugal aliran radial adalah pompa

yang jika dipotong searah panjang poros impellernya, arah dari aliran yang

keluar dari impeller pompa tersebut, arahnya searah gaya radial dari poros

impeller pompa tersebut. Aliran sisi masuk dari pompa sentrifugal adalah

(47)

Gambar 2.18. Karta untuk menghitung kecepatan putar spesifik impeller.(Dietzel)

Pada pompa sentrifugal aliran radial dapat dibedakan menurut kisaran

dari kecepatan putar spesifiknya dan berpengaruh terhadap dimensi-dimensi

dari impellernya. Berikut ini kategori dari impeller :

Roda tekanan tinggi 10≤_n_q≤₂₅

Roda tekanan menengah 25<nq≤40

Roda tekanan rendah 40<nq≤70

Tabel 2.1. Jenis impeller pompa sentrifugal aliran radial.

Jika dari hasil perhitungan harga dari nq lebih kecil dari 10 maka pompa harus

(48)

tinggi kenaikan dari setiap tingkat berharga hasil bagi dari Head total dengan

jumlah tingkat. Pada pompa sentrifugal aliran radial bertingkat dibedakan

menjadi dua tipe, tipe aliran searah dan tipe aliran silang.

Pada pompa dengan debit yang besar untuk menghindari kavitasi pada

sisi saluran masuk ke rumah pompa dan ukuran dari komponen pompa yang

semakin besar, maka dibuat pompa dengan menggunakan system 2 aliran arus

masuk (atau kelipatannya). Bentuk dari impeller pada system ini

menggunakan satu impeller, tetapi bentuk dari impeller tersebut seperti dua

buah impeller yang serupa yang menjadi satu yang saling membelakangi.

Gambar 2.19. Skema impeller pompa sentrifugal aliran radial dari tekanan tinggi ke tekanan

rendah (ki-ka).(Dietzel)

2.4.3.2.Pompa sentrifugal setengah aksial (Pompa diagonal)

Perbedaan yang mendasar yang membedakan pompa sentrifugal aliran

radial dengan pompa sentrifugal aliran diagonal adalah ukuran-ukuran utama

dari impellernya. Perbandingan diameter sisi keluar dan diameter sisi masuk

dari pompa sentrifugal setengah aksial lebih kecil dari perbandingan diameter

sisi keluar dan sisi masuk dari pompa sentrifugal aliran radial. Impeller dari

pompa sentrifugal aliran diagonal lebih tebal dari pada impeller dari pompa

sentrifugal aliran radial. Bentuk dari impeller dari pompa sentrifugal aliran

(49)

Kecepatan putar spesifik dari impeller pada pompa sentrifugal aliran

diagonal berkisar antara 70 rpm sampai 150 rpm.

Gambar 2.20. Skema impeller pompa sentrifugal aliran setengah aksial.(Dietzel)

Menurut kapasitas dan tinggi kenaikannya pompa ini dapat

dilaksanakan menjadi pompa bertingkat satu atau bertingkat banyak dan juga

dapat dilaksanakan sebagai pompa dengan saluran aliran arus masuk ganda.

2.4.3.3.Pompa sentrifugal aliran aksial

Bila tinggi kenaikan pompa makin turun dan kapasitasnya makin

bertambah besar maka dalam perkembangannya selanjutnya dari roda

diagonal, lebar rodanya akan selalu bertambah besar, perbandingan diameter

akan semakin kecil, kelengkungan di dalam kisi-kisi impeller semakin

bertambah jarang. Sudu-sudunya akan mengerupai sirip sayap pesawat

terbang dengan bentukan yang ramping mengerupai bentukan pada roda jalan

turbin Kaplan. Jadi aliran air pada sisi masuk mengalir searah dengan arah

aliran pada sisi keluar.

(50)

Biasanya pompa ini diposisikan vertical atau dengan kimiringan

tertentu terhadap permukaan air.

2.5POMPA SEBAGAI TURBIN

Dari percobaan-percobaan yang dilakukan sejak tahun 1930, yang paling

sering digunakan penelitian adalah pompa centrifugal dari jenis aliran radial

sampai dengan aliran aksial. Hasil dari penelitian tersebut menunjukkan jika

pompa yang dioperasikan sebagai turbin dikondisikan sesuai dengan data

hidraulik pompa maka efisiensi yang dihasilkan lebih rendah dari pada efisiensi

jika dioperasikan sebagai pompa. Ini dimungkinkan karena :

• Sudut sudu impeler sisi masuk pada turbin untuk menghasilkan efisiensi yang

baik lebih besar dari pada sudut sudu impeler sisi keluar pada pompa (jika

dioprasikan sebagai turbin maka menjadi sisi masuk turbin) untuk

menghasilkan efisiensi yang baik. Karena pada roda jalan pompa jika sudut

sudu diperbesar maka kecepatan massa air yang keluar dari roda jalan

semakin cepat, menimbulkan resiko kerugian gesek yang besar ( Seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 2.22.).

• Diameter luar dari impeller yang digunakan sebagai pompa lebih besar dari

pada diameter luar impeller yang digunakan sebagai turbin, jika dioperasikan

pada Head dan putaran yang sama untuk menghasilkan efisiensi yang baik

(seperti ditunjukkan pada Gambar 2.22.). Untuk jumlah sudu pada roda jalan

pada turbin lebih banyak dari pada jumlah sudu roda jalan pada pompa dan

(51)

dengan Head dan putaran kerja yang sama. Jadi setiap bentuk geometri roda

jalan mempunyai karakteritik tersediri sesuai penggunaannya, sebagai pompa

atau sebagai turbin.

Gambar 2.22. Perbandingan roda jalan turbin dan impeller pompa. (Tamm et al)

Head pompa (Hp) dapat ditentukan melalui persamaan Euler tentang pompa :

(

)

g

c u c u

H_p_,_bep =ηh,p 2p× u2p− 1p× u1p (Tamm et al) (2.24)

Dimana u dan cu adalah komponen kecepatan tangensial dari roda jalan dan

komponen kecepatan tangensial massa air , subscript 1 dan 2 menunjukkan

komponen saluran masuk dan saluran keluar yang dioprasikan sebagai pompa.

Untuk menghasilkan Head pompa yang besar secara teoritis maka komponen

kecepatan cu1 = 0, ini terjadi mendekati atau pada titik BEP (Best Efficiency

Point). Pada sisi keluar roda jalan yang berfungsi sebagai pompa, karena

membesarnya saluran sudu roda jalan maka kecepatan dari massa air tersebut

melambat menyebabkan komponen cu2 mengecil dan secara keseluruhan

menurunkan Head.

Jika penyimpangan sudut sudu di roda jalan pompa diabaikan, dan pada saat

pompa dioperasikan sebagai turbin maka akan didapat segitiga kecepatan sisi

(52)

menyamai efisiensi pompa. Ini dapat terjadi pada aliran yang tidak berguncang

dan tidak terjadi pusaran air, jika itu semua tercapai akan mengurangi

kerugian-kerugian gesekan fluida dan meningkatkan efisiensi hidroliknya.

Untuk memilih pompa yang akan digunakan sebagai turbin pada beberapa

kondisi, yang perlu diperhatikan harga-harga dari Head dan kapasitas aliran dari

pompa maupun turbin pada titik BEP (Best Efficiency Point). Sesuai dengan

rumus Euler maka komponen-komponen perhitungan dari pompa dan turbin dapat

digabungkan menjadi :

(

)

g c u c u

H_p_,_bep =ηh,p 2p× u2p − 1p× u1p (Tamm et al) (2.25)

(

)

g c u c u H t h t u t t u t bep t × × − × = , 1 1 2 2 ,

η (Tamm et al) (2.26)

p h t h bep t bep p H

H _, = _, ×η _, ×η _, (Tamm et al) (2.27)

Gambar 2.23. Segitiga kecepatan pada efisiensi maksimum pada mesin pompa yang

dioperasikan sebagai pompa dan sebagai turbin. (Tamm et al)

Dari rumus di atas dapat disimpulkan pada putaran yang sama Head dari

(53)

Kemudian untuk menentukan besarnya perbandingan laju aliran pompa

sebagai turbin dan laju aliran sebagai pompa pada keadaan efisiensi maksimal,

pada Gambar 2.23. menunjukkan perbedaan segitiga kecepatan pada pompa

dengan pompa yang berfungsi sebagai turbin pada sisi masuk dan sisi keluar. Pada

sisi keluar pompa sudut α₃_{merupakan sudut dari rumah keong (volute), pada saat}

pompa sebagai turbin sudut tersebut diasumsikan menjadi sudut pengarah sisi

masuk roda jalan turbin. Ketika beroperasi sebagai pompa, satuan massa yang

keluar dari roda jalan dengan kecepatan relatif akan membentuk sudut β3P, yang

besarnya lebih kecil dari sudut β2. Sedangkan pada saat dioperasikan sebagai

turbin garis kerja kecepatan relatif dari massa air membuat sudut β3T, yang

besarnya dapat diasumsikan sama dengan besar sudut β2. Dengan membesarnya

sudut β3T maka CT lebih besar dari pada CP.( CT arah kecepatannya berlawanan

dengan CP).

Pada sisi bagian dalam roda jalan ketika beroperasi sebagai pompa garis kerja

dari kecepatan mutlak massa cairan yang masuk ke roda jalan diasumsikan tegak

lurus (membentuk sudut 90º) terhadap garis kerja kecepatan tangensial dari roda

jalan tersebut. Sudu pada sisi masuk roda jalan untuk pompa dirancang dengan

kemiringan tertentu, ini dimaksudkan untuk menghasilkan kemampuan menghisap

yang maksimal. Garis kerja dari kecepatan relatif massa air yang membetuk sudut

β0P terhadap kecepatan mutlak dari roda jalan yang besarnya lebih kecil dari pada

sudut kemiringan sudu roda jalan β1. Pada saat pompa dioperasikan sebagai turbin

besar sudut garis kerja kecepatan relatif massa air terhadap kecepatan mutlak dari

(54)

β1. Ini disebabkan karena terjadi penyempitan pada saluran sudu roda jalan pada

sisi keluar. Karena penyempitan tersebut maka resiko terjadinya pusaran air

sangat besar dan menyebabkan menurunnya efisiensi dari pompa sebagai turbin.

Gambar 2.24. Grafik kinerja mesin pompa yang dioperasikan sebagai pompa dan sebagai turbin

pada putaran kerja yang sama. (Shafer et al)

Sesuai dengan segitiga kecepatan yang dihasilkan suatu pompa yang

dioperasikan sebagai turbin jika dikondisikan pada Head dan putaran kerja yang

sama dengan pompa akan, menghasilkan efisiensi turbin yang lebih rendah dari

pada efisiensi dari pompa itu sendiri. BEP pompa sebagai turbin akan lebih baik

pada debit aliran yang lebih besar dari pada debit pompa tersebut.

Dari Gambar 2.24 pada kurva efisiensi tubin, kurva yang terjadi sebelum dan

sesudah titik kulminasi bentuk kurvanya lebih landai dari pada kurva yang terjadi

pada efisiensi pompa yang mendekati titik kulminasinya, pada mesin yang sama

(percobaan dilakukan pada pompa dengan roda jalan kecepatan spesifik putaran

pelan). Faktor-faktor lain yang dapat menurunkan efisiensi adalah kebocoran pada

(55)

Dari percobaan-percobaan dan penelitian-penelitian terdahulu tentang pompa

sebagai turbin, telah dirumuskan rumus pendekatan (persamaan 2.28 dan 2.29)

untuk memilih pompa agar dijadikan sebagai turbin.

p h t h p

t 1

H H

,

, η

η

= (Stepanoff) (2.28)

p h t h p

t 1

Q Q

,

, η

η

= (Stepanoff) (2.29)

Dari rumus di atas tentu sangat sulit untuk mengetahui efisiensi hidraulik dari

turbin tanpa melakukan suatu pengujian, tetapi banyak kasus pemilihan pompa

sebagai turbin terdahulu efisiensi turbin dapat diasumsikan sama dengan efisiensi

pompa. Jadi efisiensi hidraulik total merupakan pangkat dua dari efisiensi pompa

dari mesin tersebut.

Dengan asumsi tersebut maka dengan mudah persamaan 2.28 dan 2.29 dapat

diselesaikan. Persamaan 2.28 dan 2.29 hanya berlaku untuk pemilihan awal

sebuah mesin pompa untuk dijadikan turbin, beberapa rumus empiris yang lain

tentang pendekatan untuk memilih pompa sebagai turbin dapat ditemukan pada

buku-buku acuan yang lain. Tetapi belum ada satupun rumus yang disepakati

memiliki keakuratan yang baik sebagai acuan untuk menentukan pompa sebagai

(56)

2.6ALTERNATOR

Altenetor adalah suatu alat ektromekanikal yang mengkonversi daya mekanis

menjadi energi elektrik. Pada prinsipnya generator dapat juga disebut sebagi

altenator, perbedaan antara alternator dan generator terletak pada kumparan yang

menghasilkan gaya magnet. Pada generator yang menghasilkan gaya magnet

adalah bagian stator sedangkan pada alternator adalah bagian rotor. Altenator

memiliki bagian-bagian antara lain :

a. Rotor

Yang dimakud rotor adalah bagian yang berputar yang menjadi satu dengan

poros alternator yang terdapat magnet permanent atau lilitan induksi magnet,

pada rotor terdapat bagian yang berfungsi sebagai kutub magnet yang terletak

pada sisi luar dari lilitan. Bagian lain dari rotor adalah slip ring yang terletak

pada bagian belakang berfungsi sebagai penyalur listrik ke kumparan rotor.

Rotor ditumpu oleh dua buah bearing, pada bagian dengannya terdapat puli.

b. Stator

Stator adalah bagian pada altenator yang menempel pada body alternator,

bagian ini berupa lilitan yang berfungsi untuk menghasilkan arus bolak-balik

(AC)

c. Dioda

Dioda mengkonversi arus bolak-balik yang dihasilkan oleh lilitan stator

menjadi arus searah. Komponen ini terdapat pada alternator DC sedangkan

(57)

d. Pengatur Tegangan

Pada bagian ini dapat mengontrol jumlah tegangan yang diberikan oleh

alternator.

Gambar 2.25. Skema alternator

2.6.1Cara Kerja

Pada saat lilitan rotor diberi arus listrik maka akan timbul gaya gerak

listrik yang arahnya sesuai dengan kaidah tangan kanan (seperti ditunjukkan

gambar 2.5.), arah gaya magnet searah dengan arah ibu jari sedangkan arah gaya

listriknya menembus telapak tangan dan arah arus searah dengan arah kepangkal

lengan. Arus hasil dari pembangkitan ini adalah arus bolak-balik, untuk

menyearahkan digunakan dioda.

Jika suatu turbin dihubungkan dengan alternator DC maka energi mekanis

yang dihasilkan turbin akan dikonversikan menjadi energi listrik oleh alternator

DC. Keluaran alternator yang berupa tegangan (V) dan jika diberi beban maka

akan ada arus (I) yang mengalir.

P = V x I (2.30)

Dengan :

P = Daya listrik (Watt)

(58)

I = Arus yang mengalir pada beban (Ampere)

Kemudian setelah daya telah diketahui maka untuk menghitung torsi yang

digunakan poros alternator digunakan rumus (dengan asumsi kecepatan putar

poros alternator sama dengan kecepatan poros turbin) :

n P

T =9,55 (2.31)

Dengan :

T = Torsi poros alternator (N.m)

n = Kecepatan putar poros alternator (rpm)

2.7 PERSAMAAN-PERSAMAAN YANG DIGUNAKAN

Pada penelitian ini bebarapa persamaan digunakan untuk menghasilkan

data-data yang diingikan.

2.7.1Persamaan Untuk Menghitung Daya Air (Pin)

Konversi satuan tekanan pressure gauge (p(kg/cm2)) menjadi satuan

Pascal (Pa).

10000 × × ∆

= p g

Pa pengukuran

out in

pengukuran p p

p = −

∆

Dengan :

Pa = tekanan dalam satuan Pascal (m)

ppengukuran = tekanan pressure gauge (kg/cm2)

Konversi satuan laju aliran massa

ρ

m

V • • =

Persamaan yang digunakan untuk menghitung daya air

(

pengukuran

)

in V p P = × ∆

•

(59)

2.7.2 Persamaan Untuk Menghitung Daya Yang Dihasilkan Turbin (Pout)

Persamaan yang digunakan untuk menghitung daya yang dihasilkan turbin

langsung dikonversi kebentuk daya listrik.

I V P_out = ×

2.7.3 Persamaan Untuk Menghitung Efisiensi Turbin (Pin)

Persamaan yang digunakan untuk menghitung efisiensi turbin adalah:

% 100 × = in out T P P

η (2.32)

ηT= efisiensi turbin

Persamaan yang digunakan untuk menghitung kecepatan putar spesifik :

75 , 0 H n

n_q

V

• = H g Pa × = ρ (2.33)

2.7.4 Persamaan Untuk Menghitung Head Kecepatan (Hc)

c = kecepatan rata-rata massa air

Hc = Head kecepatan

A = luas penampang saluran pipa

D = diameter pipa

=

•

V kapasitas aliran air

V = A×c

•

4

2 D A=π

g c H_c 2 2 = (3.34)

2.7.5 Persamaan Untuk Perbandingan Putaran pada Transmisi sabuk

n1 = putaran PST

d1 = diameter pully PST

F1 = gaya pada pully PST

P1 = daya pada PST

n2 = putaran alternator

F2 = gaya pada pully alternator

P2 = daya pada alternator

d2 = diameter bayangan pully alternator

2 1 F

F = , P₁ =P₂

(60)

3.1 DIAGRAM ALIR PENELITIAN

Gambar. 3.1. Diagram alir penelitian

Pengadaan alat pengujian

Pemasangan alat pengujian Judul Tugas

Akhir

Pengambilan data

Naskah Tugas Akhir Penulisan Tugas

Akhir Buku-buku literatur

dan jurnal-jurnal

Percobaan awal alat pengujian Perancangan alat

penelitian

gagal

berhasil

Pengolahan data gagal

(61)

3.2 JENIS PENELITIAN

Penelitian yang dilakukan merupakan studi kasus dan bersifat deskriptif

kualitatif, yaitu suatu penelitian terhadap obyek tertentu dan kesimpulan yang diambil terhadap obyek yang diteliti berdasarkan hasil analisa data yang telah

dilakukan. Dalam hal ini obyek yang diteliti adalah pengaruh penambahan

kapasitas aliran terhadap kinerja mesin pompa yang dioprasikan sebagai turbin.

3.3 SARANA PENELITIAN

3.3.1 Sarana Pengujian

Sarana yang digunakan dalam penelitian ini dibedakan menjadi 2 macam

sarana yaitu; sarana pengujian dan sarana perhitungan. Sarana pengujian pada

pompa sebagai turbin ini menggunakan sistem sirkulasi hidraulik. Untuk

pengadaan sarana pengujian dan perkakas, ada yang swadaya dan ada yang

difasilitasi oleh Laboratorium Energi, Laboratorium Mekanika Fluida dan

Laboratorium Manufaktur, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi,

Universitas Sanata Dharma, Jogjakarta. Untuk sarana perhitungan merupakan

fasilitas pribadi penulis.

Pada saat penelitian sarana pengujian dapat dikelompokkan menjadi :

a. Pompa Sumber

i. Pompa sentrifugal dengan merek ME Primary Pump tipe NS-100

dengan spesifikasi sebagai berikut :

Debit maksimum = 449 GPM (0,0284 m3/det)

(62)

Daya kerja = 10 HP (7,46 Kw)

Putaran kerja = 2000 rpm

ii. Motor tiga fase (tipe bintang) buatan MAICO.Ltd. menghasilkan daya

18,5 Kw dengan magnet induksi. Dengan jumlah kutup 6 bekerja pada

putanran 1450 rpm. Motor litrik ini berfungsi untuk memutar pompa

sumber.

iii. Panel kelistrikan dan kelengkapannya

Panel kelistrikan ini berfungsi sebagai pengatur dan pengaman motor

listrik pada saat dioperasikan agar tidak terjadi sesuatu yang tidak

diinginkan. System tersebut juga untuk mempermudah pengoperasian.

iv. Mekanisme pully sabuk

Mekanisme ini terdiri dari dua buah pully, ada yang terletak pada

motor listrik dan yang satu terletak pada pompa. Kedua pully tersebut

dihubungkan oleh tiga buah sabuk tipe V.

(63)

v. Pondasi mesin

Pondasi mesin dibuat dari baja profile I yang berfungsi untuk

menopang motor listrik, pompa centrifugal dan panel listrik.

b. Mesin Pompa Sebagai Turbin

Mesin pompa ini merupakan pompa sentrifugal standard yang banyak dijual

di pasaran dengan keadaan bukan kondisi baru, tetapi masih berfungsi

dengan baik sebagai pompa. Dengan daya pemompaan sebesar 746 watt

1HP, dengan ukuran diameter hisap dan diameter tekannya sebesar 1½”.

Dengan spesifikasi : debit maksimum 0,005 m3/detik, Head maksimum 18

m, Head hisap maksimum 9 m, dan putaran kerja pada 2900 rpm.

Bagian-bagian mesin pompa tersebut :

i. Rumah pompa

Rumah pompa pada mesin pompa tidak mengalami perubahan tetap

seperti standard. Rumah pompa terbagi menjadi dua bagian, bagian

depan yang terbuat dari besi cor. Pada rumah pompa bagian depan

terdapat rumah keong (saluran volute), saluran hisap, saluran tekan

dan dudukan untuk baut pondasi, . Bagian belakang rumah pompa

yang buat dari alumumium terdapat rumah bantalan pada sisi luar, dan

bagian dalam terbuat dari pelat stailess-steel dan pada lubang poros

pompa terdapat dudukan untuk perapat (seal). Pada bagian belakang

(64)

ii. Rumah motor

Rumah motor yang terbuat dari alumumium tuang, pada bagian

dalamnya terdapat kumparan tiga fase dan slot-slotnya yang berfungsi

sebagai magnet induksi pada saat dioperasikan sebagai pompa. Pada

bagian belakang rumah pompa terdapat bagian yang dapat dilepas, dan

pada bagian tersebut terdapat rumah bantalan.

iii. Poros pompa

Karena pada tipe pompa yang digunankan, rumah pompa terpasang

permanent dengan rumah motor maka untuk pengoperasiannya

menggunakan satu poros tanpa sambungan. Pada bagian poros yang

terletak di rumah pompa dibuat bertingkat, ada yang dibuat untuk ulir

M8 untuk mengunci roda jalan dan berikutnya diameter 12 mm untuk

dudukan roda jalan, pada bagian tersebut terdapat lubang pasak yang

lebarnya 4 mm dengan kedalaman 2 mm. Tingkat poros berukutnya

untuk dudukan perapat (seal) dengan diameter 14 mm. Pada tingkat

berikutnya poros masuk dalam bagian ruamah motor, dengan ukuran

poros diameter 20 mm, pada bagian tengah poros terdapat rotor.

Disetiap depan dan belakang rumah pompa terdapat bantalan.

Kemudian poros akan bertingkat lagi selepas dudukan bantalan , besar

poros berikutnya adalah berdiameter 14 mm, yang digunakan untuk

(65)

iv. Roda jalan (Impeller)

Roda jalan masih standard sesuai spesifikasi pompa, roda jalan

tersebut dengan diameter luar sebesar 114 mm, diameter dalam

sebesar 41,5 mm dan diameter lubang poros sebesar 12 mm.Dengan 8

jumlah sudu, lebar sudu sebesar 8,5 mm dan tebal sudu sebesar 3 mm.

ukuran pasak 4 mm x 4 mm x 10 mm.

v. Bantalan

Bantalan yang digunakan dengan merek ESK dengan tipe 6203 Z

dengan dimensi diameter luar 40 mm, diameter lubang 20 mm dan

lebar 10 mm.

c. Perpipaan dan Kelengkapannya

Pada perpipaan dan kelengkapannya dapat digolongkan lagi menjadi :

i. Pipa PVC ∅_{4” dan kelengkapannya}

Pipa yang dibutuh kurang lebih 2,5 m, sambungan elbow 5 (lima)

buah, over-sock ∅_{4” x}∅_{2” 1 (satu) buah, threat-sock diameter 4” 2}

(dua) buah.

ii. Pipa PVC ∅_1½