4
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Turbin Air
Turbin merupakan fungsi mengubah energi potensial fluida menjadi energi mekanik yang kemudian diubah lagi menjadi energi listrik pada generator. Komponen – komponen turbin adalah sebagai berikut :
1. Sudu pengarah
Biasanya dapat diatur untuk mengontrol kapasitas aliran yang masuk turbin .
2. Roda jalan atau runner turbin
Pada bagian ini terjadi peralihan energy potensial fluida menjadi energy mekanik.
3. Poros turbin
Pada poros turbin terdapat runner dan ditumpu dengan bantalan radial dan bantalan axial.
4. Rumah turbin
Biasanya berbentuk keong atau spiral, berfungsi untuk mengarahkan aliran masuk sudu pengarah.
5. Pipa hisap atau draft tube
Mengalirkan air yang keluar turbin kesaluran luar.
Adapun perbandingan krakteristik jenis turbin dapat kita lihat grafik net head (m) dan flow ( m3/s) dibawah ini :
Grafik 2.1 karakteristik turbin Sumber : (sugiyanto,didik, 2016) Keterangan :
Daerah dengan garis biru mempresentasikan turbin Kaplan. Daerah dengan garis merah mempresentasikan turbin Francis. Daerah dengan garis hijau mempresentasikan turbin Pelton. Daerah dengan garis hitam mempresentasikan turbin Crossflow.
Dapat dilihat grafik 2.1 turbin Kaplan adalah turbin yang beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi atau bahkan beroperasi pada kapasitas yang sangat rendah. Hal ini karena sudu-sudu turbin Kaplan dapat diatur secara manual atau otomatis merespon perubahan kapasitas.
Turbin pelton adalah turbin yang beroperasi pada head tinggi dengan kapasitas yang rendah ,untuk turbin francis mempunyai karakteristik yang berbeda dengan yang lainnya yaitu turbin francis dapat beroperasi pada head yang tinggi.
Pemilihan turbin kebnyakan didasarkan pada head air yang didapat dan kurang lebih rata-rata alirannya. Umumnya turbin impuls digunakan untuk tempat dengan head tinggi, dan turbinreaksi digunakan untuk tempat dengan head rendah. Turbin Kaplan baik digunakan untuk semua jenis debit dan head , efisiennya baik dalam segala kondisi aliran.
Aplikasi penggunaan turbin berdasarkan tinggi head yang didapatkan sebagai berikut ini :
1. Turbin Kaplan : 2<H<100 Meter 2. Turbin Francis : 5<H<500 Meter 3. Turbin Pelton : H>30 Meter 4. Turbin Banki : 2<H<200 Meter
2.2 Pemilihan Jenis Turbin
Jenis turbin yang digunakan sangat tergantung dari besarnya debit air (Q) dan tinggi jatuh air yang tersedia, besarnya harga dari debit dan tinggi jatuh air ini didapat dari hasil survey kelapangan. Secara teoritis dalam perencanaan pemilihan jenis turbin ditentukan berdasrkan kecepatan spesifikasi (nq), karakteristik turbin dan debit serta tinggi jatuh air efektif (He). Turbin dapat dikelompokkan dalam 2 tipe, yaitu :
Gambar 2.1 turbin impuls dan turbin reaksi
2.2.1 Turbin Reaksi
Turbin reaksi adalah turbin yang memanfaatkan energy potensial untuk menghasilkan energy gerak. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu.
a. Turbin francis
Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian keluarTurbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air masuk secara tangensial. Sudu pengarah pada turbin Francis dapat merupakan suatu sudu pengarah yang tetap atau pun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang tepat.
Gambar 2.2 Turbin francis. sumber : (perpustakaan, 2003) b. Turbin Kaplan
Turbin Kaplan dan propeller merupakan turbin rekasi aliran aksial. Turbin ini tersusun dari propeller seperti pada
perahu.Propeller tersebut biasanya mempunyai tiga hingga enam sudu.
Gambar 2.3 Turbin Kaplan sumber : (perpustakaan, 2003) 2.2.2 Turbin Impuls
Turbin impuls adalah turbin yang memanfaatkan energy potensial air diubah menjadi energy kinetic dengan nozel.air keluar dari nozel mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin, setelah membntuk sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi momentum ( impuls ), akibatnya roda turbin akan berputar. a. Turbin pelton
Turbin pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nozle. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah 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 kedua arah sehinga bisa membalikkan pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping sehingga terjadi
konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Turbin Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150 meter tetapi untuk skala mikro head 20 meter sudah mencukupi.
Gambar 2.4 Turbin pelton sumber : (perpustakaan, 2003) b. Turbin turgo
Turbin turgo dapat beroperasi pada head 30 m s/d 300 m. Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozle membentur sudu pada sudut 20 o. Kecepatan putar turbin turgo lebih besar dari turbin pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan.
Gambar 2.5 Turbin turgo sumber : (perpustakaan, 2003) c. Turbin crossflow
Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 liter/s. hingga 10 m3/s dan head antara 1 m s/d 200 m. Turbin crossflow menggunakan nozle persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Air mengalir keluar membentur sudu dan memberikan energinya (lebih rendah dibanding saat masuk) kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan parale.
Gambar 2.6 Turbin crossflow sumber : (perpustakaan, 2003)
2.3 Defenisi Dan Rumus
1) Energi dikandung air (Nm)
W = m.g.z +m + m
…………. (1)
(sugiyanto,didik, 2016) Dimana :
W : Energi yang dikandung air (Nm) m : zat cair ( kg )
g : Gravitasi bumi (m/s2)
z : Ketinggian suatu tempat yang dipakai sebagai standart ( m ) P : Tekanan ( N/m2)
: Massa jenis zat cair (kg/m3) c : Kecepatan aliran zat cair (m/s)
2) Pemilihan jenis turbin berdasarkan debit dan head Q = V. A ………. (2)
(sugiyanto,didik, 2016) Dimana :
Q : Debit Air ( m3/s)
V : Kecepatan aliran air (m/s) A : Luas penampang pipa
3) Pemilihan turbin berdasarkan head
Tinggi jatuh air actual dikurangi total kerugian energy (head losses) disepanjang saluran. Dalam persamaan 10 dapat dinyatakan :
HI ……….. (3)
(sugiyanto,didik, 2016) Dimana :
He : Tinggi jatuh air efektif (m) Ha : Tinggi jatuh air actual (m) HI : head losses (m) 4) Kecepatan spesifik ( ) = √
……….(4)
(sugiyanto,didik, 2016) Dimana : : kecepatan spesifikn : kecepatan putaran turbin ( rpm ) H : Tinggi jatuh air efektif (m)
Q : Debit air yang dibutuhkan (m3/s)
Kecepatan spesifik setiap turbin memiliki kisaran (range) tertentu berdasarkan data, Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air ditunjukkan pada Tabel 2.1
Turbin pelton 12 ≤ NS ≤ 25 Turbin francis 60 ≤NS ≤ 300 Turbin crossflow 40 ≤ NS ≤ 200 Turbin propeller 250 ≤ NS ≤ 1000 Table 2.1 kecepatan spesifik beberapa turbin
sumber : (perpustakaan, 2003) 5) Kecepatan keliling Turbin (U)
a. Kecepatan keliling bagian luar sudu ( ) = ul*. Co ………(5)
Dimana :
* : factor kecepatan keliling bagian luar sudu Co : √ (m/s)
b. Kecepatan keliling bagian leher poros sudu ( ) = .Co ……….(6)
Dimana :
= factor kecepatan keliling bagian leher poros sudu c. Kecepatan keliling bagian tengah sudu ( )
= ……….(7) 6) Diameter turbin (D)
Gambar 2.7 sket turbin Kaplan Sumber : (sugiyanto,didik, 2016)
a. Diameter luar sudu Tubin (DL) =
……….(8)
Dimana :
uL : kecepatan keliling bagian luar sudu (m/s) n : kecepatan putar turbin (rpm)
b. Diameter leher poros sudu turbin (DN) =
………(9)
Dimana :
uN : kecepatan keliling bagian luar sudu (m/s)
c. Diameter tengah sudu turbin (DM)
=
……….(10)
Dimana :
Dl : diameter tengah sudu poros (m)
DM : diameter leher sudu poros (m)
d. Kecepatan sudu turbin
V=√ . ………(11) Dimana :
V : kecepatan aliran ( m3/s ) g : gravitasi ( m2/s )
H : selisih Ketinggian ( m )
e. Kecepatan masuk sudu pada tengah sudu :
√ (Dietzel, 1980)
Dimana :
Cl = kecepatan masuk sudu pada tengah sudu (m/s)
C2m = kecepatan meridian keluar sudu (m/s)
f. Kecepatan keluar sudu pada tengah sudu :
√ (Dietzel, 1980)
Dimana :
W1= kecepatan keluar sudu padda tengah sudu (m/s)
Um= kecepatan tangensial tengah sudu (m/s)
C2m= kecepatan keluar sudu (m/s)
Keceparan air melalui seluruh penampang : C2=Cm
Gambar 2.8 Grafik menentukan Ul*,UN*, dan Cm* pengarah
Sumber : (Dietzel, 1980) 7) Kecepatan aliran ( )
=
………..(12)
Dimana :
Q : debit aliran ( m3/s)
A : luas penampang (mm) atau, A :
.π
8) Daya Turbin (P)
……….. (13) (Dietzel, 1980) Dimana :
p = daya (kW)
= massa jenis air (kg/m3)
g = gravitasi (m/s2) H = tinggi air jatuh (m)
Q = kapasitas air atau debit (m3/s)
9) Gaya aksial ( W ) W = ( ). ( - ). D . . B …………..(14) Dimana : W : gaya aksial ( N ) : rapat air ( 1000 kg/m3 )
: kecepatan relative aliran terhadap sudu jalan ( m/s ) : kecepatan relative aliran terhadap sudu pengarah ( m/s ) D : diameter tengah sudu ( m)
B : jumlah lebar seluruh sudu ( m )
10) Efisiensi ( ) =
……… (15)
Dimana :
: efisiensi turbin (%)
: daya yang transmisikan turbin ( kw ) H : tinggi air jatuh ( m )
Q : debit aliran ( m3/s ) g : percepatan gravitasi ( m/s2 ) : kerapatan air ( kg/m3 ) 11) Segiitiga kecepatan Kecepatan aliran ( ) : ……….. (16) Dimana :
Q : debit air (m3/s) A : luas penampang (mm) A : . π
a. Profil sudu
Pada profil sudu mempunyai kemiringan δ yang kecil, sudut kemiringan δ adalah sudut yang dibentuk oleh aliran W∞ dengan kemiringan β∞ dan diantara β1 dan β2 terdapat suatu lengkungan kecil.
Gambar 2.9 Sket profil sudu Sumber : (sugiyanto,didik, 2016) Dimana :
δ : sudut kemiringan
: –
………. (17)
Ymax : tebal profil
:
{
}
– ( 0,092.δ ) s : panjang profilζa : tahanan profil ζa
:
2.ζa . s/t dikenal sebagai factor pembebanan, harga s/t ( panjang tali busur/pembagian sudu ) dipilih sampai dengan harga 1,4. Dengan demikian ζa dapat di hitung.
b. Profil sudu bagian luar
Gambar 2.10 Segitiga kecepatan bagian luar. Sumber : (sugiyanto,didik, 2016) Koefisien gaya angkat/tahanan profil [ζa ]
ζa
:
2.………… (18)
dimana :
s/t diambil harga 1,2 dari grafik pemasangan sudut dan tahanan profil diperbolehkan δ panjang profil [s]
s/t = 1,2 dimana :
t : ……….. (19) Tebal profil [Ymax]
Ymax :
{
}
– ( 0,092.δ )Gambar 2.11 Segetiga kecepatan bagian leher poros Sumber : (sugiyanto,didik, 2016)
Koefisien gaya angkat/tahanan profil [ζa ] ζa
:
2.……….. (20)
dimana:
Dari grafik pemasangan sudut dan tahanan profil diperoleh δ Panjang profil [s] s/t : 1,2
dimana t :
Tebal profil [ Ymax]
Ymax :
{
}
– ( 0,092.δ ) ns = 50 100 200 300 400 800 1000 Mmax = kMn :k 2.2 2.05 1.88 1.8 1.75 1.7 1.6 nmax = Knn : K 1.6 1.8 1.9 2.4 2.6Table 2.2 Nilai – nilai perhitungan kekuatan turbin(sesuai dengan kecepatan spesifik).
Stream line R1 mm R2 mm U1 m/s U2 m/s u1 u2 A 625 645 34.2 35.3 0.772* O,797* B 588 564 32.2 30.9 0.726 0,697 C 576 465 31.6 25.5 0.713 0.575 D 564 385 30.9 21.1 0.697 0.477 E 551 366 30.2 20.05 0.682* 0.454*
Table 2.3 menentukan kecepatan aliran perferial pada permukaan aliran . Sumber : Nechleba, M. (1997), hal : 173.
Untuk ditandai* pada table berikut ,dapat menentukan kecepatan perferial pada permukaan aliran .
.Table 2.4 menentukan kecepaan meridional Sumber : Nechleba, M. (1997), hal : 173.
Dengan cara yang sama, menentukan kecepatan meridional; diperkirakan koefisien pembatasan penampang melintang aliran sekitar φ2 = 0,80-0,85 untuk
blade runner, dan φ'= 0,85-0,9 untuk blade panduan, sekali lagi dengan reservasi verifikasi berikutnya. Tabel diatas berisi koefisien-koefisien ini bersama dengan nilai-nilai lain yang diperlukan, yang sudah diperbaiki, sebagaimana ditentukan dari masing-masing bagian.
2.4 Rumah Keong (Spiral Casing)
Dalam hal ini yang digunakan dalam perencanaan spiral casing dianggap sama dengan yang digunakan pada PLTM Plumbungan yaitu dengan plat baja tebal 12-20 mm Baja Siemens Martin S55C (Sumber: PLTA PB. Soedirman) yang sudah ada dipabrikan, dilas satu sama lain sehingga berbentuk spiral. Selubung scroll terdiri dari 2 x 21 buah plat baja dengan tebal 12 – 20 mm bahannya adalah Baja Siemens Martin S55C. Merencanakan ukuran- ukuran dari rumah keong dalam hal ini D = 1230 mm dan kecepatan spesifiknya Ns = 144,62 rpm.
Gambar 2.12 spiral casing Sumber : (R. saputra, 2018)
Karena penampang spiral casing berbentuk lingkaran, maka untuk mempermudah perhitungan maka digunakan pendekatan dengan rumus empiris yang terdapat pada literatur yang penulis miliki. a). Spiral Casing Dari Pandangan Atas: Ukuran pada bagian A (m) spiral casing (Sumber: Warnick, 1984, hal; 136) yaitu:
: 1,2 –
Ukuran pada bagian B (m) spiral casing: : 1,1 +
Ukuran pada bagian C (m) spiral casing: : 1,32 +
Ukuran pada bagian D (m) spiral casing : : 1,50 +
Ukuran pada bagian E (m) spiral casing : : 0,98 +
Ukuran pada bagian F (m) spiral casing : : 1 +
Ukuran pada bagian G (m) spiral casing : : 0,89 +
Ukuran pada bagian H (m) apiral casing : : 0,79 +
2.4.1 Perhitungan poros
Poros merupakan salah satu bagian terpenting dari setiap mesin yang berfungsi untuk meneruskan tenaga bersama-sama dengan putaran. Poros bisa menerima beban berupa lenturan, tarikan, tekan, atau puntiran yang bekerja sendiri-sendiri atau gabungan satu dengan lainnya. Pada turbin Kaplan poros berfungsi sebagai penerus putaran runner ke generator. Diambil data:
P = 1,2 MW
Apabila P adalah daya nominal output dari turbin maka berbagai macam faktor keamanan biasanya dapat diambil dalam perencanaan. Sehingga koreksi pertama dapat diambil kecil. Faktor koreksi fc dapat dilihat pada tabel Faktor Koreksi Daya Yang Ditransmisikan. Perhitungan untuk daya rencana (Sumber: Sularso & Kiyokatsu, 1995, hal: 7) adalah sebagai berikut :
Pd = 2800 kW
1. Momen puntir ( Torsi )
Momen puntir yang berkerja pada poros adalah T ( kg.mm) maka : T : 9,74 × 105
Dimana : pd : daya turbin N1 : rpm
Bahan poros yang direncanakan adalah baja paduan yaitu baja khrom nikel (JIS G4120), SN C22 dengan perlakuan panas (pengerasan kulit), memiliki kekuatan tarik σB = 80 kg/mm2 diperoleh dari tabel Bahan Baja Paduan Untuk Poros.
2. Momen lengkung pada poros
Gambar 2.13 gaya pada poros Sumber: (R. saputra, 2018) Vin Vout
Vx : Vin Vy : Vout
Vy : 0 Vx : 0
Vz : 0 Vz : 0
Terjadi perubahan momentum yaitu : F.t : Δ(m .V)
F.t : m . ΔV F : Q . (V out – V in)
F = Q . (0 – V in)
F = 7,68 . (0 – 8,32)
F = - 63,9 (reaksi terhadap arah aliran air) Momen lengkung pada poros adalah :
Gambar 2.14 Lengkungan poros Sumber: (R. saputra, 2018) M : F . L
M : 383400 kg.mm 3. Tegangan geser pada poros
Tegangan geser yang diijinkan (Sumber: Sularso & Kiyokatsu, 1978, hal: 7), yaitu:
=
Dimana :
= Tegangan izin poros (kg/mm2)
= tegangan tarik bahan poros 100 (N/mm2) = Faktor kelelahan puntir
= faktor kerenan poros dibuat bertingkat dan diberi pasak
4. Diameter poros ( ) ⁄ Dimana :
ds = Diameter poros (mm)
= Tegangan geser yang diizinkan (N/mm2) Mp = Momen torsi yang diterima poros (N.mm)
Kt = Faktor koreksi untuk momen puntir
Cb = Faktor koreksi untuk beban lentur.
Untuk beban yang dikenakan secara halus harga Kt= 0,1 untuk beban
yang digunkan sedikit kejutan atau tumbukan harga Kt = 1,0 – 1,5 dan jika
beban dikenakan dengan kejutan atau tumbukan harga Kt = 1,3 – 3,
karenaa poros juga menerima beban lentur dari berat turbin maka diperlukan faktor koreksi untuk beban lentur (Cb) yang harga nya 1,2 – 2,3
2.4.2 Bantalan
Bagian-bagian dari mesin yang terbuat dari logam yang berfungsi untuk memperkecil gesekan pada putaran poros dengan lubang poros atau sebaliknya.
Klarifikasi bantalan
Bantalan dapat diklarifikasikan sebagai barikut : 1) Atas dasar gerakan bantalan terhadap poros
a. Bantalan luncur
Pada bantalan ini terjadi gesekan luncur antara poros dan bantalan karena permukaan poros ditumpu oleh permukaan bantalan dengan perantaraan lapisan pelumas.
b. Bantalan gelinding
Pada bantalan ini terjadi gesekan gelinding antara bagian yang berputar dengan yang diam melalui elemen gelinding seperti bola (peluru), rol atau rol jarum dan bulat
2) Atas dasar arah beban terhadap poros a. Bantalan radial
Arah beban yang ditumpu bantalan ini adalah tegak lurus atau sejajar dengan sumbu poros.
Ini dapat menumpu beban yang arahnya sejajar dean tagak lurus sumbu poros.
Gambar 2.15 gambar macam –macam bantalan giliding (SULARSO,1997)
2.5 pasak
Pasak digunakan untuk menyambung dua bagian batang (poros) atau memasang roda, roda gigi, roda rantai dan lain-lain pada poros sehingga terjamin tidak berputar pada poros. Pemilihan jenis pasaktergantung pada besar kecilnya daya yang berkerja dan kesetabilan bagian-bagian yang disambung. Untuk daya yang kecil, antara naf roda dan poros cukup dijamin dengan baut tanam (set screw).
Untuk ukuran lebar dan tebal pasak biasanya sudah distandarisasi maka hasil perrhtungan harus dipilih ukuran yang ada pada standarisasi. Bila hasil perhitungan, ukurannya tidak ada yang cocok dalam table pasak, maka ukuran pasak yang diambil adalah ukuran yang lebih besar.
Diameter poros (mm)
Penampang pasak Diameter poros (mm) Penampang pasak Lebar (mm) Tebal (mm) Lebar (mm) Tebal (mm) 6 2 2 85 25 14 8 3 3 95 28 16 10 4 4 110 32 18 12 5 5 130 36 20 17 6 6 150 40 22 22 8 7 170 45 25 30 10 8 200 50 28 38 12 8 230 56 32 44 14 9 260 63 32 50 16 10 290 70 36 58 18 11 330 80 40 65 20 12 380 90 45 75 22 14 440 100 50
