ANALISA KEKUATAN GUIDE VANE PADA TURBIN

KERJA PRAKTEK

MS-390

ANALISA KEKUATAN GUIDE VANE PADA TURBIN UNIT 1

DI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR (PLTA)

SAGULING

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan program pendidikan strata satu jurusan Teknik Mesin ITENAS

Disusun Oleh : M Naufal Allam

12-2010-024

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI NASIONAL

BANDUNG

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

dimanfaatkan untuk menggerakan turbin air. Dengan memanfaatkan beda tinggi, air dapat dialirkan melalui saluran saluran ke turbin air yang dipasang dibawah waduk.

Salah satu komponen utama pada system PLTA adalah turbin yang berfungsi untuk merubah energi kinetik dari aliran air menjadi energi mekanik berupa putaran, energy tekanan pada air akan mendorong blade turbin sehingga menghasilkan putaran, beberapa komponen bantu pada turbin diperlukan agar mendapatkan efesiensi daya turbin yang besar, salah satu komponen tersebut adalah guide vane (sudu pengarah).

Guide vane (sudu pengarah) atau wicket gate merupakan bagian dari turbin air yang fungsi utamanya adalah mengubah energi tekanan cair menjadi energi momentum, selain itu juga berfungsi sebagai pintu masuk air dari spiral casing

menuju runner blade, guide vane juga berfungsi sebagai distributor agar air disekeliling runner mempunyai debit yang sama rata, debit yang rata berguna sebagai pengaman turbin pada saat trerjadi gangguan. Gerakan turbin diatur oleh suatu mekanisme peralatan dalam governor cabinet, gerakan buka tutup guide vane terjadi secara hidrolik dengan menggunakan servomotor yang akan berkerja setelah menerima perintah dari governor sehingga besar kecilnya laju aliran yang masuk kedalam turbin berpengaruh terhadat putaran yang dihasilkan.

1.2 Identifikasi Masalah

1.3 Tujuan

Tujuan dari kerja praktek bagi penulis di PT. INDONESIA POWER UBP SAGULING, yaitu :

 Mengetahui prinsip kerja PLTA

 Mengetahui peralatan umum yang digunakan di PLTA Saguling.

 Mengetahui mekanisme prinsip kerja guide vane.

 Mengetahui seberepa besar beban yang diterima oleh guide vane akibat dari tekanan air yang masuk.

1.4 Manfaat Kerja Praktek

Manfaat kerja prektek ini adalah :

 Memperoleh suatu pembelajaran mengenai guide vane.

 Memperoleh pengalaman kerja sebelum masuk ke dunia kerja yang sebenarnya.

 Mengetahui komponen-komponen PLTA secara keseluruhan.

1.5 Metode Pengumpulan Data

Dalam menyusun laporan ini penulis menggunakan beberapa metode pengumpulan data untuk memperoleh data yang lengkap dan objektif. Metode – metode tersebut adalah :

 Wawancara

 Studi Pustaka

Metode ini dilakukan dengan melakukan pencarian informasi melalui buku-buku bacaan manual yang diberikan oleh pembimbing lapangan serta para staf di PT Indonesia Power UBP Saguling.

1.6 Waktu dan Tempat Pelaksanan

Kegiatan kerja praktek ini dilaksanakan mulai dari tanggal 9 Juni 2014 sampai dengan 9 Agustus 2014. Di Power House PT. INDONESIA POWER UBP SAGULING, Jawa Barat.

1.7 Sistematika Penulisan

Pembahasan laporan kerja praktik ini disusun dalam beberapa bagian dengan sistematika tertentu dengan harapan pembaca akan lebih mudah memahami isi laporan ini. Sistematika yang digunakan adalah sebagai berikut :

BAB I Pendahuluan

Pada bab ini membahas latar belakang, identifikasi masalah, tujuan, metode pengambilan data, sistematika penulisan serta profil singkat perusahaan.

BAB II Tinjauan Pustaka

Bab II pada laporan ini membahas tentang teori-teori yang mendukung pembahasan mengenai laporan kerja praktek, yaitu definisi PLTA, teori dasar turbin, teori dasar mekanika fluida dan teori lain yang mendukung pembuatan laporan kerja praktek ini.

BAB III Pembahasan

BAB IV Kesimpulan dan Saran

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Definisi Pembangkit Listrik Tenaga Air

2.2 Turbin

Turbin merupakan mesin yang dapat mengkonversikan energi kinetik dan energi potensial air menjadi gerak mesin. Turbin Air dikembangkan pada abad ke – 19 dan digunakan pada industri secara luas untuk memenuhi jaringan listrik. Sekarang turbin air banyak digunakan untuk pembangkit listrik.

2.5.1 Sejarah

Water wheels telah banyak digunakan 100 tahun yang lalu untuk kebutuhan industri tenaga listrik. Kelemahan water wheel adalah dalam bentuknya, dimana keterbatasan debit dan head yang dapat dimanfaatkan. Perkembangan turbin menurut revolusi industri menggunakan prinsip dan metode sains migrasi dari water wheel ke turbin modern membutuhkan sekitar 100 tahun. Turbin pertama kali di perkenalkan oleh seorang

yang telah digunakan pada sistem jet pada hydraulic pada pertambangan ladang emas. Knight mengembangkan bucketed wheel yang dapat menengkap energi free jet yang terlah dikonversikan dari head tinggi ke energi kinetik. Pada 1879, Laster Pelton berexperiment dengan Kinght Wheell, menciptakan Pelton Wheel (Double Bucket Design) memperkecil kehilangan energi (energi losses) dari rancangan Knight wheel. Pada tahun 1895, William mengembangkan rancangan Pelton sehingga efensiensi yang dapat dicapat sebesar 92% .

Gambar 2.3 Bagian Turbin Air.

(sumber :www.wikipedia.com)

2.5.2 Turbin Rekasi

Turbin reaksi adalah turbin yang memafaatkan energi potensial untuk menghasilkan energi gerak. Sudu pada turbin reaksi mempunyai pofil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga runner dapat berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokan sebagai turbin reaksi.

2.5.3 Turbin Impuls

Turbin impuls mengubah kecepataan water jet. Jet mendorong blade

pada turbin yang mana dapat mengganti arah aliran. Sehingga menghasilkan sebuah momentum (impuls) yang dapat menghasilkan gaya pada turbin. Turbin impuls salah satu yang mana dapat meneruskan tekananan pada rotor secara konstan.

Turbin impuls adalah turbin yang memanfaatkan energi potensial air yang diubah menjadi energi kinetic dengan nozzle. Air keluar nozzle yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah keepatan aliran berubah menjadi momentum (impuls). Turbin impuls memiliki tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya sama dengan tekanan atmosfir sekitar.

2.5.4 Turbin Francis

memproduksi energi listrik. Generator yang paling banyak digunakan untuk jenis turbin ini memiliki keluar power yang secara umum hanya beberapa kilo watts hingga 800 mega watts. Penstock diameter diantara 3 dan 33 ft. Kecepatan rata – rata turbin dari 83 sampai 1000 rpm.

Gambar 2.4 Animasi Turbin Francis

(sumber : www.wikipedia.com)

2.5.4.1 Komponen

Turbin francis terdiri dari beberapa bagian penting :

a. Spiral Casing

Spiral casing dikelilingi runner turbin yang dikenal dengan volute casing atau scroll case. Volute casing memiliki banyak bukaan pada interval yang dapat mengatur fluida kerja untuk membendung pada

Gambar 2.5 Spiral Casing

(sumber : www.hardie-tynes.com)

b. Guide Vane atau Stay Vane

Kegunaan dari guide vane atau stay vane adalah mengkonversikan energi tekanan pada fluida menjadi energi momentum. Guide vane juga dapat mengerahkan aliran (flow)

langsung ke sudut runner blades.

Gambar 2.6 Guide Vane

c. Runner Blades

Runner blades merupakan bagian inti dari semua jenis turbin, runner blade merupakan pusat (center) dimana fluida membentur dan mengakibatkan gaya tangensial yang mengakibatkan shaft turbin perputar. Pada bagian ini harus sangat hati-hati mengenai sudut blade

pada sisi inlet dan outlet karena ada bebepara parameter penting yang berpengaruh terhadap daya yang dihasilkan.

Gambar 2.7 Runner Blade

(sumber : www.maxds.ca)

d. Draft Tube

Draft tube adalah saluran yang mana terhubung dengan runner

Gambar 2.8 Draft Tube

(sumber : http://www.learnengineering.org)

2.3 Sistem Hydraulik

sistem hidrolik adalah teknologi yang memanfaatkan zat cair, biasanya menggunakan oli, untuk melakukan suatu gerakan segaris atau putaran. Sistem ini bekerja berdasarkan prinsip. Jika suatu zat cair dikenakan tekanan, maka tekanan itu akan merambat ke segala arah dengan tidak bertambah atau berkurang kekuatannya.

2.4 Governor

2.5 Servomotor

Servomotor adalah sebuah aktuator yang dilengkapi dengan kendali dengan system closed feedback yang terintegrasi dalam motor tersebut. Pada motor servo posisi putaran sumbu (axis) dari motor diinformasikan kembali ke rangkaian control yang ada di dalam motor servo.

2.6 Mekanika Fluida

Mekanika fluida adalah ilmu yang mempelajari prinsip fundamental mekanika dengan memakai cairan dan gas. Prinsip ini adalah tentang mengenai pengkonversian suatu zat, mengkonversikan suatu energi dan mempelajari tentang hukum Newton. Untuk memperdalam pembelajaran aliran fluida kopresibel kita juga harus mempertimbangkan tentang hukum termodinamika. Dengan meggunakan prinsipel ini, kita tidak hanya dapat menjelaskan phenomena yang sedang diamai, tetapi juga untuk memprediksikan tingkah laku dari fluida dalam kondisi tertentu.

2.9.1 Tekanan

dapat positif dan negatif, tegantung pada apakah tekanan tersebut diatas tekanan atmosfir atau dibawah atmosfir. Sebuah tekanan pengukuran negatife juga disebut sebagai tekanan hisap aau hampa. Sama seperti acuan bagi pengukuran tekanan, satuan yang digunakan untuk menyatakan nilainya pun sangat penting. Tekanan adalah gaya per satuan luas, dan satuannya dalam sistem Inggris (BG) adalah lb/ft2 _{atau lb/in}2 _{yang biasanya disingkat} masing-masing dengan psf atau psi. Dalam satuan internasional (SI), satuan satuan tersebut adalah N/m2_{, kombinasi-kombinasi ini disebut dengan pascal dan} ditulis sebagai Pa.

Pengukuran tekanan atmosfer biasanya dilakukan dengan sebuah barometer air raksa, yang bentuk paling sederhana terdiri dari sebuah tabung gelas tertutup pada satu ujungnya dan ujung terbuka lainnya tercelup dalam sebuah bejana berisi air raksa seperti pada gambar dibawah ini.

2.9.2 Jet Bebas (Free Jet)

Salah satu persamaan yang paling tua dalam mekanika fluida adalah persamaan mengenai aliran sebuah zat cair dari sebuah reservoir yang besar, seperti pada gambar dibawah ini Sebuah jet cairan dengan diameter mengalir dari nossel dengan kecepatan V seperti yang ditunjukan. (Sebuah nossel adalah alat yang dibentuk untuk mempercepat laju fluida). Penerapan persamaan Bernauli antara titik (1) dan titik (2) pada garis arus yang ditunjukan memberikan :

Fakta bahwa z1 = h, z2 = 0, reservoir besar

(

V1~¿0

)

, terbuka ke atmosfer

(p1 = 0 pengukuran), dan fluida meninggalkan reservoir sebagai jet bebas (p2=0), maka memperoleh :

V=

√

2_ργh=√2gh

Begitu berada di luar nossel, aliran terus jatuh sebagai sebuah jet bebas dengan seluruh tekanannya nol (p5 = 0) dan seperti terlihat, dengan menerapkan permaan Bernauli antara titik (1) dan (5), kecepatan meningkat menurut :

V=

_√

2g(h+H)

2.9.3 Pengukuran Laju Aliran

Banyak tipe peralatan yang menggunakan prinsip-prinsip yang terdapat dalam persamaan bernaulli telah dikembangkan untuk mengukur keepatan fluida dan laju aliran. Contoh lainnya yang dibahas meliputi peralatan-peralatan untuk mengukur laju aliran dalam pipa di dalam pipa dan saluran serta peralatan untuk mengukur laju aliran dikenal terbuka.

Sebuah cara efektif untuk mengukur laju aliran melalui pipa adalah dengan menempatkan sejenis hambatan di dalam pipa seperti yang di tunjukan pada gambar di bawah dan mengukur perbedaan tekanan antara bagian hulu yang berkecepatan rendah dan bertekanan tinggi, dan bagian hilir yang berkecepatan tinggi dan bertekanan rendah. Prinsip kerja pengukuran aliran tersebut didasari oleh prinsip fisika yang sama-yakni bahwa peningkatan kecepatan menyebabkan penerunan tekanan.

P1+1₂ ρV12=P2+1₂ ρV22

Jika diasumsikan profil kecepatan uniform pada potongan (1) dan (2), persmaan kontinuitas dapat dituliskan sebagai :

Q=A1V1=A2V2

Di mana A2 adalah luas aliran yang kceil (A2<A1) pada potongan (2). Kombinasi dari kedua persamaan ini menghasilkan laju aliran teoritis sebagai berikut :

Pada kasus elastic, berdasarkan pengandaian-pengandaian, dimana tegangan adalah berdanding lurus dengan regangan dan berubah pula secara linier dari pusat sumbu puntiran, maka tegangan tersebut akan berubah pula secara linier dari sumbu pusat batang linier. Tegangan tersebut yang disebabkan oleh penyimpangan-penyimpangan disebut dengan tegangan geser yang terletak pada bidang yang sejajar dengan irisan yang diambil tegak lurus terhadap sumbu batang. Variasi tergangan tersebut digambarkan pada gambar 3.3. Tegangan geser maksimum terjadi pada titik-titik terjauh dari titik pusat O dan dinyatakan dengan max.

momen puntir dalam. Karena itu suatu persamaan dapat dirumuskan seperti

Dimana integrasi mencakup semua momen puntir yang dikembangkan pada irisan dengan gaya-gaya kecil tak berhingga yang berkerja pada jarak p dari sumbu bagian bangunan, yaitu O pada gambar 3-3, dan meliputi sumua luas A dari penampang irisan; sedang T adalah momen puntir berlawanan.

Pada suatu irisan tertentu max dan c adalah konstan; maka hubungan di atas dapat ditulis sebagai

konstanta pula untuk penampang luas tertentu. Ketetapan tersebut dinyatakan

sebagai Ip. Untuk suatu potongan berbentuk lingkaran, dA=2πdp dimana p

adalah keliling sebuah cincin dengan radius p dan lebar dp, sehingga :

Ip=

∫

Dimana d adalah diameter dari poros lingkaran yang pejal. Bila c atau d diukur dalam meter, maka Ip mempunyai satuan m4 atau mm4. Dengan

menggunakan lambang Ip untuk momen inersia kutub dari luas lingkaran maka

τmax=Tc_I

p

BAB III

PEMBAHASAN

ANALISA GUIDE VANE PADA TURBIN AIR

3.1

3.2 Gambaran Umum Mengenai Guide Vane

Guide vane merupakan suatu komponen utama pada turbin air yang diberfungsi untuk mengarahkan air yang masuk pada spiral case agar air dapat memusatkan tekanan pada runner blade atau sudu turbin. Tiap unit turbin terdiri dari 20 buah guide vane dimana bukaan dan tutupan guide vane diatur oleh governor dan digerakan oleh servomotor

 Jumlah : 20 Buah

 Material : stainless steel casting (JIS G5121 SCS1)

 Berat per Guide Vane : 31 Kg

Gambar 3.2 Sprial Case

Gambar 3.3 Komponen Spiral Case

Gambar 3.4 Spiral Case dan Stay Ring

Ukuran yang cocok untuk guide vane ialah dimana masing-masing dari

guide vane memiliki batang yang dapat didukung oleh bearing guide van, guide vane memiliki fungsi untuk mengkontrol dan mengarahkan air ke runner. Guide vane, stay vane dan runner blade saling berkoordinasi sehingga tidak mengakibatkan kelebihan air yang mengalir yang mengakibatkan getaran pada system operasi turbin. Dalam pemilihan guide vane harus didasari oleh besar dari setiap guide vane dan gaya resultan hidrolik. Guide vane dirancang untuk dapat menahan tegangan yang secara terus menerus. Guide vane terbuat dari material baja cor. Area yang kritikal pada guide vane yaitu di body guide vane dan batang

guide vane yang memang di disain untuk mengerima tegangan konsentrasi seminimal mungkin. Body guide vane dilapisi dengan stainless stell pada bagian atas dan bawah serta sepanjang garis guide vane yang berdekatan. Setiap guide vane dipasang oil-less bearing di bagian head cover dan ring bagian bawah. Pada Setiap bagian atas batang guide vane juga dipasang thurst bearing (bantalan) untu menahan beban dari guide vane dan menahan gaya hidrolik ke atas dan kebawah.

Mekanisme operasi guide vane terdiri dari guide vane arms link, dan guide vane operating ring. Guide vane dipasang disekitar dan diluar bagian inlet runner.

Guide vane digerakan dan ditempatkan oleh mekanisme guide vane.