ABSTRAK. Kata kunci : mikrohidro power, head, debit, roda turbin, sudu diam, rumah turbin, draft tube.

(1)

Perancangan Turbin Francis Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH)

“Studi Kasus Di Sungai Suku Bajo, Desa Lamaanabi, Kecamatan Tanjung Bunga, Kabupaten Flores Timur, NTT”

PERANCANGAN TURBIN FRANCIS PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA

MIKROHIDRO (PLTMH)

“STUDI KASUS DI SUNGAI SUKU BAJO, DESA LAMANABI, KECAMATAN

TANJUNG BUNGA, KABUPATEN FLORES TIMUR, NTT”

Agi Noto Bawono 1) _{, Dedy Zulhodayat Noor}2)

Program Studi D3 Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri, ITS Surabaya E-mail: noto.agibawono@gmail.com1)_,_{zulnoor@me.its.ac.id}2)

ABSTRAK

Saat ini energi listrik merupakan salah satu sumber energi vital bagi kehidupan manusia, baik sektor rumah tangga, komersial, publik, maupun industri. Penyediaan energi listrik sudah merupakan salah satu infrastruktur yang wajib dipenuhi agar perekonomian suatu daerah dapat ditingkatkan. Banyak cara dilakukan untuk mengolah energi alam menjadi energi listrik. Salah satu brntuk energi yang dapat dimanfaatkan adalah energi potensial air yang banyak tersedia di Indonesia, namun belum digunkan secara maksimal. Sementara kita telah mengetahui bahwa energi potensial air merupakan energi yang dapat diperbarui, sehingga jika kita mampu memanfaatkan energi ini secara maksimal, kita tidak perlu lagi bergantung pada energi dari bahan bakar fosil yang akhir – akhir ini mengalami krisis ketersediaan. Salah satu potensi alam yang belum termanfaatkan adalah air terjun di sungai suku Bajo di Desa Lamanabi, Kecamatan Tanjung Bunga, Kabupaten Flores Timur, Nusa Tenggara Timur yang dengan tinggi jatuh air 50 meter dan debit air 0,15 m3/s sehingga dapat dimanfaatkan untuk membangkitkan energi listrik dengan menggunakan turbin air untuk memenuhi kebutuhan energi penduduk sekitarnya.

Perancangan turbin diawali dengan pemilihan jenis turbin berdasarkan putaran spesifik (Ns) yang dihitung berdsarkan data head (H) dan kapasitas (Q) yang diperoleh setelah diketahui jenis turbin yang sesuai maka dapat dilakukan perancangan terhadap roda turbin (runner), sudu diam (guide vane), rumah turbin (spiral casing) dan draft tube.

Pada peranacangan ini dihasilkan gambar kerja dari rod turbin (runner), sudu diam (guide vane), rumah turbin (spiral casing), dan draft tube yang pada nantinya desain dari turbin francis ini dapat digunakan dalam berbagai kondisi yang ada di Indonesia sehingga dapat membantu mengurangi krisis energi listrik yang terjadi.

Kata kunci : mikrohidro power, head, debit, roda turbin, sudu diam, rumah turbin, draft tube.

I. PENDAHULUAN

Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) Lamanabi, Flores merupakan suatu proyek pengadaan sumber pembangkit tenaga listrik yang dilaksanakan oleh PT. PLN PUSHARLIS UWP VI Surabaya. Ditengah proses pembuatannya bersamaan dengan kami ditugaskan untuk melaksanakan kegiatan Kerja Praktek dengan membantu perakitan pembangkit listrik ini. Pada dasarnya Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro jenis turbin francis ini di desain dengan memperhatikan karakteristik daerah setempat utamanya sungai suku bajo sebagai sumber gerak utama pengkonversian energi pada turbin ini.

Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Lamanabi dengan jenis turbin francis ini didesain dan dirancang dengan memperhitungkan tinggi jatuh air sebesar 50 meter dan debit desain sebesar 0.15 m3/s dari aliran air sungai suku bajo dan jenis turbin francis ini memiliki efisiensi turbin sebesar 84%. Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro ini dirancang agar dapat memenuhi kebutuhan listrik minimal Desa Lamanabi sebesar 38.600 VA atau

30,88 kW pada saat beban puncak penggunaan energi listrik. Pemilihan jenis turbin francis ini sendiri didasarkan pada head yang tersedia yakni dengan head sebesar 50 meter, sehingga berdasarkan karakteristiknya ini yang paling sesuai tepat digunakan adalah turbin jenis francis.

Namun demikian, meskipun pada saat proses perancangan desain turbin ini telah melalui perhitungan yang detail dengan asumsi yang didasarkan dari berbagai sumber. Namun, pada prakteknya saat dilakukannya proses pemasangan instalasi turbin ini dilapangan, terdapat perbedaan mendasar antara hasil perhitungan dan desain dengan keadaan riil yang ada. Oleh karena itu, kami tergerak untuk melakukan perhitungan ulang desain instalasi Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro jenis turbin francis ini sehingga akan ditemukan perhitungan yang tepat dengan kodisi karakteristik daerah yang tersebut.

II. DASAR TEORI

(2)

“Studi Kasus Di Sungai Suku Bajo, Desa Lamaanabi, Kecamatan Tanjung Bunga, Kabupaten Flores Timur, NTT” Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu

sumber air bergantung pada besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air, maka head adalah beda ketinggian antara permukaan air pada reservoir dengan muka air keluar dari kincir air/turbin air. Total daya yang dibangkitkan dari suatu turbin air adalah merupakan reaksi antara head dan debit air seperti ditunjukkan pada persamaan 1.

P = (1)

Dimana: P = daya (watt) Q = debit air (m3_/s)

= densitas air (998 kg/m3₎

g = percepatan gravitasi bumi (9,81 m/s2₎ H = tinggi jatuh air

2.2 Turbin Francis

Turbin Francis merupakan turbin jenis reaksi yang bekerja karena tekanan pada roda turbin yang mengakibatkan roda turbin berputar dimana aliran air melalui rumah keong yang diarahkan dengan sudu pengarah menuju sudu jalan dari roda turbin.

Daya yang dihasilkan oleh turbin dapat diatur dengan cara mengatur posisi sudu diam, sehingga aliran air yang menumbuk roda turbin dapat diatur. Prinsip kerja dari turbin francis ialah memanfaatkan energi jatuh air untuk memutar roda turbin. Roda turbin berputar dikarenakan cairan yang ada diantara sudu roda turbin memiliki energi mekanis, partikel cairan ini memiliki kecepatan keliling U dengan arah menyinggung lingkaran. Akibatnya, timbulah gaya sentrifugal. Dengan meningkatnya gaya sentrifugal membuat partikel cairan bergerak menuu pusat dari roda turbin dengan kecepatan relative W yang arahnya menyinggung permukaan sudu. Sedangkan kecepatan absolute C merupakan penjumlahan geometris dari U dan W.

1. Roda jalan 17 Tuas

2. Cincin labirin 18 Batang penggerak

3.Cincin labirin kontra 19 Cincin hantaran 4.Cincin jat arang 20 roda penghantar 5.Pipa kuras 21 Tutup turbin

6.Pengumpul minyak yang berputar 22 Tabung blok bantalan atas

7.Blok bantalan 23 Cincin penutup roda 8.Bantalan penghantar bantalan tengah 9.Saluran aliran kompensator 24 Cincin penutup roda 10. Bordes pelayanan pengarah 11.Poros turbin 25 Daun sudu pengarah 12.Kopling 26 Tutup turbin bawah atau 13.Poros hantar cincin roda pegarah 14.Tabung penutup poros 27 Saluran udara pipa isap 15.Titik tangkap servomotor 28 Pipa isap 16.Cincin pengatur 29 Rumah keong

30. Sudu penyangga 31 Cincin sudu penyangga

Gambar 1. irisan perspektif suatu turbin

francis; Eischer Wyss (Sumber: Fritz Dietzel, 1992)

2.3 Komponen Utam Turbin Francis a. Penstock

Penstock atau yang biasa disebut dengan pipa isap berfungsi sebagai tempat mengalirnya air dari waduk penampungan menuju rumah turbin (spiral casing). Mengubah energi kecepatan air menjadi energi tekan.

b. Rumah Turbin (spiral casing)

Bagian ini terdiri dari pipa baja yang mengelilingi runner blade, semakin ujung semakin mengecil sehingga disebut rumah siput. Hal ini bertujuan agar aliran air menjadi lebih cepat guna mendorong roda turbin berputar, disisi lain tekanan air didalamnya menjadi berkurang. Posisi dari inlet spiral casing tergantung pada saluran langsung air dari penstock yang mungkin akan merubah keserasian penempatan.

c. Sudu Pengarah (Guide Vane)

Merupakan bagian dari turbin francis yang berfungsi sebagai pintu masuk air dari spiral casing menuju runner blade, selain itu guide vane juga berfungsi sebagai distributor agar air dikelilingi runner mempunyaidebit yang sama rata (uniform), serta sebagai pengaman turbin pada saat terjadi gangguan.

d. Sudu Gerak (Guide Vane)

Bagian ini disebut juga bilah rotor atau sudu gerak, pada runner blade energi kinetik (hidrolis) air yang dikenakan padanya diubah menjadi energi mekanik.

e. Poros Utama

Berfungsi mentransmisikan energi mekanik rotor kepada generator. Terbuat dari dua bagian utama yaitu bagian atas generator shaft yang dikopling dengan kopling tetap (mur dan baut). Pada bagian bawah berlapis yaitu inner shaft sehingga berfungsi sebagai penggerak runner blade dan main shaft.

f. Bantalan Utama

Berfungsi sebagai bantalan dari main shaft yang menahan goncangan bila turbin sedang beroperasi. Antara bagian bergerak dan ujungnya dilindungi oleh labirin seal liner.

g. Draft Tube

Bagian ini sebagai tempat mengalirnya air keluar dari runner dalam spiral casing menuju

(3)

saluran pembuangan (tail race). Fungsi utama dari draft tube adalah untuk mengurangi kecepatan air ayang dibuang untuk meminimalkan kehilangan energi kinetik di outlet. Draft tube berperan penting menaikkan tekanan air agar berada diatas tekanan uapnya guna menghindari timbulnya kavitasi. 2.4 Prinsip Kerja Turbin Francis

Turbin francis bekerja denngan memakai proses tekanan lebih. Pada saat 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/bekerja didalam sudu jalan, dengan adanya pipa isap memungkinkan energi tinggi jatuh bekerja di sudu jalan dengan semaksimum mungkin. Pada sisi sebelah keluar roda jalan terdapat tekanan kerendahan atau kurang dari 1 atmosfir dan kecepatan aliran air yang tinggi. Di dalam pipa isap kecepatan air akan berkurang dan tekanannya akan kembali naik, sehingga air bisa dialirkan keluar lewat saluran air bawah dengan tekanan seperti keadaan sekitarnya.

Pipa isap pada turbin ini memiliki tugas yang mirip dengan sudu hantar yang terdapat pada pompa sentrifugal, turbin francis terdiri dari sudu pengarah dan sudu jalan, dan kedua sudu tersebut semuanya terendam di dalam aliran air. Air dialirkan kedalam sebuah cincin yang berbentuk spiral. Turbin yang dikelilingi dengan sudu pengarah semuanya terbenam di dalam air. Air yang masuk kedalam turbin bisa dialirkan melalui pengisian air dari atas atau melaui suatu rumah yang berbentuk spiral. Roda jalan semuanya selalu bekerja. Daya yang dihasilkan turbin bisa diatur dengan cara mengubah posisi pembukaan sudu pengarah, dengan demikian kapasitas air yang masuk kedalam roda turbin bisa diperbesar atau diperkecil. Turbin francis dilaksanakan dengan posisi vertikal atau horisontal.

2.5 Head Loss Pada Pipa Pesat

Pipa pesat / penstok merupakan saluran air yang berfungsi menghubungkan bak penampung pada ketinggian tertentu dengan rumah turbin. Dibuatnya pipa pesat bertujuan agar membuat aliran air tidak banyak terbuang ke sekitar. Namun didalam pipa pesat juga terdapat beberapa losses yang mengakibatkan berkurangnya energi dari air itu sendiri, losses ini disebabkan karena adanya gesekan antara dinding pipa dengan aliran air ataupun karena bentuk dari fitting perpipaan yang dipakai pada penstock. Contoh pemasangan dari penstok dapat dilihat pada gambar 2 berikut :

Gambar 2 Pipa Pesat (penstock) (Sumber: PUSHARLIS UWP VI SBY,

2013)

Dengan adanya losses yang disebabkan adanya gesekan antara dinding pipa dengan aliran air menyebabkan berkurangnya Head terhadap aliran, adapun persamaan untuk menghitung head loss mayor adalah : hl =

g

2 V

D

L

f

2 [5] ₍₂₎

dan persamaan untuk menghitung head loss minor akibat bentuk dari fitting perpipaan :

hlm=

g

V

k

.

2

2 [5]₍₃₎

dimana head loss minor di instalasi terjadi pada enterance, pipe bends, enlargement dan gate valve dengan nilai dari masing – masing losses coefficiengt dapat dilihat pada tabel 1 berikut ini : Tabel 1 Harga Losses Coefficient untuk Fitting perpipaan pada Instalasi

Fitting Perpipaan Harga Losses Coeffocient atau Karakteristik Fitting Perpipaan Sudden Contraction K = 0,21 Enterance (square-edged) K = 0,5 Pipe bends 45 o_{, f = 0,235} 30o_{, f = 0,130}

Gate valve (full

opening) K= 0,15

Enlargement K = 0,15 2.6 Pemilihan Jenis Turbin

Pemilihan jenis turbin dapat ditentukan berdasarkan kelebihan dan kekurangan dari jenis-jenis turbin, khususnya untuk suatu desain yang sangat spesifik. Pada tahap awal, pemilihan jenis turbin dapat diperhitungkan dengan mempertimbangkan parameter-parameter khusus yang mempengaruhi sistem operasi turbin, yaitu :

-Faktor tinggi jatuhan air efektif (Net Head) dan debit yang akan dimanfaatkan untuk operasi

(4)

“Studi Kasus Di Sungai Suku Bajo, Desa Lamaanabi, Kecamatan Tanjung Bunga, Kabupaten Flores Timur, NTT” turbin merupakan faktor utama yang

mempengaruhi pemilihan jenis turbin, sebagai contoh : turbin pelton efektif untuk operasi pada head tinggi, sementara turbin propeller sangat efektif beroperasi pada head rendah.

- Faktor daya (power) yang diinginkan berkaitan dengan head dan debit yang tersedia. -Kecepatan (putaran) turbin ang akan ditransmisikan ke generator. Sebagai contoh untuk sistem transmisi direct couple antara generator dengan turbin pada head rendah, sebuah turbin reaksi (francis) dapat mencapai putaran yang diinginkan, sementara turbin pelton dan crossflow berputar sangat lambat (low speed) yang akan menyebabkan sistem tidak beroperasi.

Ketiga faktor di atas seringkali diekspresikan sebagai "kecepatan spesifik, Ns”, yang didefinisikan dengan formula:

Ns = √

⁄

[3] ₍₄₎

dimana :

Ns = Kecepatan spesifik turbin

n = Putaran spesifik turbin N = Daya turbin (KW) H = Tinggi jatuh air / head (m)

Putaran spesifik turbin memiliki kisaran (range) tertentu berdasarkan data eksperimen, kisaran putaran spesifik turbin air ditunjukkan pada tabel 2 berikut ini:

Tabel 2 Jenis Turbin Berdasarkan Putaran Spesifik

Putaran

Spesifik Jenis Turbin

4 s/d 35 Pelton dengan 1 nozzle 17 s/d 50 Pelton dengan 2 nozzle 24 s/d 70 Pelton dengan 4 nozzle 80 s/d 120 Franciss kecepatan rendah 120 s/d 220 Franciss kecepatan normal 220 s/d 350 Franciss kecepatan tinggi 350 s/d 430 Franciss Ekspress 300 s/d 1000 Propeler dan Kaplan (Sumber : Nechleba, Miroslav.1957.Hydraulic Turbine Their Design and Equipment. Czeckoslovakia: Artia Pragu)

Dengan mengetahui putaran spesifik turbin maka perencanaan dan pemilihan jenis turbin dapat dilakukan.

Selanjutnya head dan debit digunaka pula sebagai parameter dalam pemilihan jenis turbin dengan ilustrasi sebagai berikut:

Gambar 3 Macam jenis turbin menurut head dan kapasitasnya

Jika turbin akan direct couple terhadap generator maka proses iterasi akan dilakukan di putaran 3000 rpm, 1500 rpm, 1000 rpm, 750 rpm dan seterusnya (untuk generator dengan frekuensi 50 Hz), pada proses iterasi pertama dicoba dipilih putaran turbin sebesar 1500 rpm (4 pole, 50 Hz) karena generator ini mudah dicari dan banyak dipasaran.

Tabel 3 Putaran Generator Sinkron (rpm) Jumlah Pole (kutub) Frekuensi , 50 Hz

2 3000 4 1500 6 1000 8 750 10 600 12 500 14 429

Gambar 4 Randemen beberapa konstruksi turbin air pada saat pembebanan sebagian. (sumber: Fritz Diesel.Pompa dan Kompressor.1992)

(5)

Dari gambar diatas terlihat untuk turbin francis pada 100% beban penuh memiliki efisiensi sebesar 84%.

III. METODOLOGI PENELITIAN

Dalam merancang turbin francis pembangkit listrik tenaga air (PLTMH) utamanya didasarkan pada besar tinggi jatuh air (head) dan kapasitas desain aliran air untuk selanjutnya dari study lapangan dan study literatur diperoleh data yang digunakan dalam menghitung berbagai parameter perhitungan.

Setelah langkah – langkah diatas dilakukan maka dapat diambil beberapa parameter yang dapat dijadikan pertimbangan dasar dalam pelaksanaan perancangan Turbin Francis Mikrohidro. Beberapa parameter yang diambil diantaranya :

 Kapasitas turbin  Tinggi jatuh air

 Instalasi turbin dalam perpipaan

 Putaran generator yang digerakkan turbin Langkah – langkah proses perancangan Turbin Francis Mikrohidro adalah sebagai berikut :

 Pemilihan jenis turbin

 Perancangan runner (roda turbin)  Perancangan spiral casing (rumah turbin)  Perancangan guide vane (sudu diam)  Perancangan draft tube

 Perancangan poros turbin  Perancangan pasak dan bearing

Langkah dalam penulisan Tugas Akhir ini dapat digambarkan dalam diagram alir (flow chart) berikut :

MULAI

Studi literatur

Mengecek data turbin yang digunakan

Penentuan jenis turbin

Perhitungan putaran spesifik tidak

ya

Perencanaan dan perancangan turbin:

· Perancangan runner (roda turbin)

· Perancangan guide vane (sudu diam)

· Perancangan draft tube

· Perancangan pasak

· Pemilihan bantalan

Kesimpulan

Selesai

Gambar 5 Flowchart penulisan tugas akhir

IV. PERHITUNGAN

4.1 Data Input Perancangan

Data awal yang dipakai sebagai parameter dalam perancangan Turbin Francis ini diantaranya sebagai berikut :

· Pipa pesat dengan spesifikasi:

 Material : Thermoplastic

PVC (Polyvinyl Chloride) pipes Schedule 80

 Panjang : 200 m  Diameter :  Diameter pipa : 300 mm (D1) · Debit Desain Q = 0.15 m3_/s · Total Head = 50 m

· Fluida Kerja air tawar, dengan properties :

= 998 kg/m3

= 1,01 x 10-3 _{N.s /m}2 Asumsi yang digunakan

 Incompressible flow

 Steady Flow

(6)

“Studi Kasus Di Sungai Suku Bajo, Desa Lamaanabi, Kecamatan Tanjung Bunga, Kabupaten Flores Timur, NTT” Setelah dilakukan perhitungan secara

manual dan numerik didapat hasil perhitungan sebagai berikut:

Sebagai langkah pertama dilakukan perhitungan head netto setelah terlebih dahulu dilakukan perhitungan harga (V2 dengan

menggunakan persamaan Colebrook, sebagai berikut :

̅̅̅ [ (₎]

Dengan: ̅ = kecepataan aliran air di titik 2 g = percepatan gravitasi bumi Z1-Z2 = head (50 m)

= perbandingan panjang pipa dan diameter

Gambar 5. Iterasi V2

Maka nilai head netto turbin yang didapatkan berdasarkan instalasi diatas adalah sebagai berikut : – H= – ∑ = + + - - ∑ dimana :  P1 = P2 = Patm  V1 = V2 0 m/s2 sehingga didapatkan : H= Z1 – Z2 - ∑ H = - ) = 50 m – 4,35896 m = 45,64 m

1. Perhitungan daya yang dihasilkan oleh turbin:

· Perhitungan Potensial Daya P = = 998 kg/m3_m/s2 _45,64 0.15 m3_/det = 67024,94 W = 67,02494 KW

· Perhitungan daya turbin

N = g Q t = 998 kg/m3_{9.81 m/s}2 _0.15 m3_/det =56300,95 W = 56,30095 KW = 75,44 Metrik HP

4.3 Perhitungan Kecepatan Spesifik Berdasarkan Laju Aliran

Dengan fiketahuinya putaran turbin (n), laju aliran air (Q) dan head turbin (H) yang akan dirancang melalui persamaan berikut :

nq = √ ⁄ nq = √ ⁄ ⁄ nq = 31,99 rpm = 32 rpm dimana : nq = Kecepatan spesifik berdasarkan

laju aliran n = Kecepatan putar turbin yang

direncanakan

Q = Laju aliran (m/det) H = Tinggi jatuh air / head (m)

4.4 Nilai Putaran Spesifik Turbin

Dengan fiketahuinya putaran turbin (n), daya turbin (N) dan head turbin (H) yang akan dirancang melalui persamaan berikut :

Ns = √ ⁄ Ns = √ ⁄ Ns = 91.716 rpm = 92 rpm dimana :

Ns = Kecepatan spesifik turbin

n = Putaran spesifik turbin N = Daya turbin (KW) H = Tinggi jatuh air / head (m)

Hasil dari perhitungan – perhitungan diatas didpatkan:

Tabel 4 Hasil Perhitungan Pemilihan Roda Turbin

Perhitungan Nilai

Netto Turbine Head (H) 47,75 m Daya Turbin (N) 58,90382 KW

79,04 Metrik HP

Kecepatan Spesifik 32 rpm

2g h Asumsi f L/D+8 1 Column1 V2 Selisih

19,62 50 0,00851 674,66 1 12,66345327 12,32871644 -0,33482683 19,62 50 0,00852 674,66 1 12,56164464 12,32871644 -0,25446565 19,62 50 0,00853 674,66 1 12,45063533 12,32871644 -0,17345465 19,62 50 0,00854 674,66 1 12,41484633 12,32871644 -0,12645665 19,62 50 0,00855 674,66 1 12,35241465 12,32871644 -0,03536466 19,62 50 0,00856 674,66 1 12,32871644 12,32871644 0 19,62 50 0,00857 674,66 1 12,31780113 12,32871644 0,0145454 19,62 50 0,00858 674,66 1 12,30165554 12,32871644 0,0270609 ITERASI V2

(7)

Berdasarkan laju aliran

Putaran Spesifik Turbin 92 rpm 4.5 Perhitungan Diameter Poros (Dsh)

Perhitungan diameter poros (Dsh)

didasarkan pada daya yang ditransmisikan (N) oleh turbin, putaran turbin (n), dan tegangan puntir poros maksimum yang diijinkan . Dengan daya (N) sebesar 77,44 Hp, putaran turbin (n) 1500 rpm, dan menggunakan bahan ASTM A356 sebagai material poros karena ASTM A356 yang memiliki tegangan puntir = 500 kP/cm2_{. Diameter poros}

dapat ditentukan dengan persamaan: Dsh = √

Dsh = √

= 8,768 cm = 88 mm

dengan mempertimbangkan faktor radial thrust dan berat dari roda turbin yang nantinya akan dirancang maka diambil angka aman untuk diameter poros sebesar 100 mm.

4.6 Diameter keluaran roda turbin (Ds)

Dengan Ns = 92 rpm maka dapat dilihat dari sebesar 0,25 dimana yang digunakan adalah

untuk tingkat keamanan yang lebih baik.

Maka melalui perhitungan berikut didapatkan nilai dari parameter keluaran roda turbin.

Ds = √ √

dimana adalah unit flowrate Ds = √

√ Ds = 0,3217 m

Gambar 6 Diameter Keluaran (Ds) Keterangan:

Ds = D2a : diameter keluaran

roda turbin

D1i : diameter masukan roda turbin

4.7 Diameter Rim Pada Sisi Keluar (D2a)

Setelah diketahui kecepatan aksial air keluar runner C2m sebesar 5,774 m/s maka diameter rim runner pada sisi keluar (outlet), dihitung dari persamaan berikut :

D2a = √

= √ = 0,1807 m

4.8 Diameter Hub Runner (D1i)

Setelah diketahui besar kecepatan tangensial sudu gerak pada sisi masuk yaitu sebesar 21,297 m/s maka Diameter hub runner pada sisi masuk (inlet), D1i , dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:

D1i =

D1i =

D1i = 0,2712 m

4.9 Diameter Rim Pada Sisi Masuk (D1a)

Dengan menggunakan erbandingan harga diameter rim runner pada sisi keluar (D2a) dan sisi masuk (D1a) ditentukan dari hubungan yang diberikan Hutte maka diameter rim pada sisi masuk (D1a) dihitung dari hubungan diatas adalah:

D1a =

⁄ = = 0,1754 m

4.10 Diameter Keluar Runner D2i =

= = 0,145 m

4.11 Menentukan Jumlah Sudu

Mengacu pada buku mekanika fluida, termodinamika Mesin Turbo (S.L.Dixon) halaman 291, persamaan untuk menentukan banyaknya sudu dalam turbin adalah :

(8)

“Studi Kasus Di Sungai Suku Bajo, Desa Lamaanabi, Kecamatan Tanjung Bunga, Kabupaten Flores Timur, NTT” 2

tan

2 min













Zmin = Zmin = Zmin = (9 buah) penempatan sudu pada runner :

4.12 Lebar Roda Turbin

Dimana untuk putaran spesifik Ns = 91

rpm didapat dari perbandingan B/D1 = 0,135.

Maka dapat dihitung nilai dari lebar roda turbin. Diketahui:

> 1

Ds =D1A > Ds

sehingga diketahui inlet central streamline

D1A = 310 mm yang membantu dalam proses menentukan kelengkungan sudu roda turbin serta sebagai acuan dalam perancangan guide vane.

B = B / D1 D1 B = 0,135 310 mm

= 41,85 mm = 0,04185 m Tabel 5 Perhitungan Roda Turbin

No Perhitungan Satuan Nilai

1 Diameter tip masuk (D1a) M 0,1754 2 Diameter hub masuk (D1i) M 0,2712 3 Diameter hub keluar (D2i) M 0,145 4 Diameter tip keluar (D2a) M 0,1807 5 Lebar Roda Turbin M 0,04185 6 Jumlah Sudu M 9 Material GX5 Cr Ni

Gambar 7 Runner Hasil Perancangan

4.13 Perhitungan Volume dan Berat Poros

Perhitungan volume dan berat poros yang dilakukan ini berdasarkan perkiraan awal perancangan roda turbin, dimana poros memiliki diameter (Dsh) sebesar 100 mm dan panjang keseluruhan poros yang dirancang adalah 1400 mm. Material yang dipilih dalam perencanaan poros ini adalah JIS G 4103 (SNCM) yang memiliki densitas (ρ sebesar 7,85 gram/cc. Maka berat dari poros turbin yang dirncang adalah :

wsh = Volumesh sh g wsh=( ) ( ) wsh = 846,8 N 4.14 Torsi

Torsi yang diakibatkan oleh daya yang ditransmisikan dari energi hidrolik ke energi mekanik dari roda turbin dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :

Torque = Torque = Torque = = 375 Nm

4.15 Hydraulic Trust

Putaran dari roda turbin, selain menimbulkan torsi juga menyebabkan timbulnya gaya thrust yang umumnya disebut sebagai hydraulic thrust. Besarnya hydraulic thrust dapat dihitung dengan menggunakan persamaan empirik berikut:

(9)

“Studi Kasus Di Sungai Suku Bajo, Desa Lamaanabi, Kecamatan Tanjung Bunga, Kabupaten Flores Timur, NTT” T =

T = 3754,3 N

4.14 Perancangan Spiral Casing (Rumah Turbin)

Gambar 8 Dimensi Utama Rumah Turbin Francis _{(Sumber: Warnick, C.C. 1984)}

Dari data yang ada maka perhitungan dimensi rumah turbin sesuai dengan gambar dapat dihitung menggunakan persamaan – persamaan sebagai berikut ini :

a. A = ( ) Ds A = ( ) 330 mm A = 325,3 mm = 326 mm b. B = ( ) Ds B = ( ) 330 mm B = 561,7 mm = 562 mm c. C = ( ) Ds C = ( ) 330 mm C = 614,2 mm = 615 mm d. D = ( ) Ds D = ( ) 330 mm D = 672 mm e. E = ( ) Ds E = ( )330 E = 554 mm f. F = ( ) Ds F = ( )330 mm F = 806,5 mm = 807 mm g. G = ( ) Ds G = ( )330 mm = 673,3 mm = 674 mm h. I = (0,1 + 0,00065. Ns) Ds I = (0,1 + 0,00065. 92) 330 I = 52,52 mm = 53 mm i. L = ( 0 , 8 8 + 0,00049.Ns) Ds L = (0,88 + 0,00049.92) 330 L = 305,1 mm = 306 mm j. M = (0,6 + 0,000015.Ns) Ds M = (0,6 + 0,000015.92) 330 M = 198,5 mm = 199 mm 4.15 Perancangan Draft Tube

Gambar 9 Dimensi Utama dari Draft Tube Turbin Francis(Sumber: Warnick, C.C., 1984)

Pada perancangan rumah turbin digunakan metode empirik (deSiervo dan deLeva 1976), dimana telah dikerahui nilai dari diameter keluaran turbin (Ds) = 0,358 m

dan untuk nilai putaran spesifik (Ns) sama

halnya dengan putaran spesifik pada perancangan rumah turbin yaitu Ns = 93. Dari

data yang ada maka perhitungan dimensi draft tube sesuai gambar 8 dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan berikut :

a. N = ( ) Ds N = ( ) 330 mm N = 1245 mm b. O = ( ) Ds O = ( ) 330 mm O = 784,1 mm = 785 mm Perhitungan Nilai Berat Poros (wsh) 846,8 N Torsi (Torque) 375 Nm Hydraulic Thrust (T) 3754,3 N Gaya Radial (Fr) 526,7 N

(10)

“Studi Kasus Di Sungai Suku Bajo, Desa Lamaanabi, Kecamatan Tanjung Bunga, Kabupaten Flores Timur, NTT” c. P = (1,37 – 0,00056.Ns) Ds P = (1,37 – 0,00056.92) 330 mm P = 435,3 mm = 436 mm d. Q = ( ) Ds Q = ( ) 330 mm Q = 273,4 mm = 274 mm e. R = ( ) Ds R = ( ) 330 mm R = 528 mm = 528 mm f. S = ()Ds S = ( )330 mm S = 2229,9 mm = 2230 mm g. T = (1,5 + 0,00019.NS) DS T = (1,5 + 0,00019 92) 330 mm T = 500,7 mm = 501 mm h. U = (0,51 – 0,0007.Ns) Ds U = (0,51 – 0,0007 92) 330 U = 147,3 mm = 148 mm i. V = ( )Ds V = ( ) 330 mm V = 557,7 mm = 558 mm j. Z = ( ) Ds Z = ( )330 mm Z = 990,5 mm = 991 mm 4.16 Pemilihan Bantala

Dengan mempertimbangkan besarnya gaya aksial yang disebabkan gaya thrust serta berat dari roda turbin dan poros serta adanya gaya tangensial yang disebabkan oleh torsi, maka dipilih Spherical Roller Thrust Bearing yang mampu mengatasi gaya aksial dan radial. Pemilihan tipe bearing ini menggunakan standard ISO untuk bearing (SKF standard) yang berdasarkan diameter poros yang digunakan, yaitu 120 mm, dengan kata data: d (diameter dalam) = 100 mm D (diameter luar) = 170 mm

H (tebal) = 42 mm

C (konstanta dynamic load) = 465 KN Co (konstanta static load) = 1290 A (minimum load factor) = 0,16

( ) _⁄

Maka umur bearing dapat bertahan selama 8,796 jam

4.17 Gambar Instalasi Hasil Perancangan

V. KESIMPULAN

Dari serangkaian perhitungan yang telah dilakukan sebelumnya, diambil kesimpulan:

A. Kondisi Operasi.

1. Pipa pesat dengan spesifikasi

Material = Thermoplastic PVC (Polyvinyl Chloride) pipes Schedule 80 Panjang = 200m Diameter = 300 mm (D1) 2. Q = 0,15 m3_/s

3. Ketinggian jatuh (Gross head) = 48,37 m

4. Efisiensi Turbin 0,84 5. Putaran turbin n = 1500 rpm 6. Properties fluida kerja air tawar

kg/m3

1,01-3

B. Kontruksi

a) Roda Turbin (Runner) 1. Diameter poros (Dsh)

= 100 mm 2. Diameter hub (Dh)

=271,2 mm

3. Diameter Keluaran runner (Ds)

= 330 mm

4. Diameter rim pada sisi keluar (D2a) = 180,7 mm

5. Diameter rim pada sisi masuk (D1a) = 175,4 mm

6. Diameter hub runner pada sisi keluar (D2i)

= 145 mm

7. Lebar roda turbin = 41,85 mm

8. Jumlah sudu turbin (Z) = 9 buah b) Rumah Turbin (Spiral Casing)

(11)

B = 562 mm G = 674 mm

C = 615 mm I = 53 mm

D = 672 mm L = 306 mm

E = 554 mm M = 199 mm

c) Sudu Diam (Guide Vane)

1. Jumlah guide blades (Z1) = 10

buah

2. Outlate blade angle ( ) = 18,2o

3. Diameter range peletakan

guide vane (D0) = 423,3 mm d) Draft tube N = 1245 mm S = 2230 mm O = 785 mm T = 501 mm P = 436 mm U = 148 mm Q = 274 mm V = 558 mm R = 528 mm Z = 991 mm e) Poros 1. Panjang = 100 cm 2. Diameter (Dsh) = 10 cm f) Pasak 1. Panjang (L) = 6 cm 2. Lebar (W) = 1 inch = 2,54 cm (Dari Tabel) 3. Tinggi (H) = 1 inch = 2,54 cm (Dari Tabel) 4. Tipe Square key

g) Bantalan (Bearing) 1. d (diameter dalam) = 100 mm 2. D (diameter luar) = 170 mm 3. H (tebal) = 42 mm

4. C (konstanta dynamic load) = 465 kN

5. C0 (konstanta static load) = 1290 kN

6. A (minimum load factor) = 0,16 7. Tipe Bantalan = Spherical Roller Thrust Bearing 8. Minimum Load = 30,4 kN 9. Umur Bantalan = 8,796 106 _jam Performance: 1. Netto turbine head (H) = 48,37 m 2. N (daya turbin) = 59670 W 3. Putaran Spesifik = 91 rpm DAFTAR PUSTAKA

1. Aris Munandar, Wiranto.1996. Penggerak

Mula Turbin.Bandung

2. Deutshman, Aaron D., Michels, Walter J. And Wison, Charles E.1975.Machine

Design Theori and Practice.

3. Dietzel, Fritz. 1996. Turbine, Pompa dan

Kompressor. Jakarta: Erlangga.

4. Creager, Wiliam P. and Justin, Joel D. 1590.Hydroelectric Handbook 2nd_.ed.John Willey and Sons.

5. Fox, Robert W and McDonalds, Alan T.1998/Introduction to Fluid Mechanics, 8th_{.ed. John Willey and Sons.}

6. Kjolle, A.1980. Water Power Machines

(In Norwegian). Norway: Universitets

Forlaget, Oslo

7. Lazarkiewicz S, Troskolansi A.T. 1957.

Impeller Pump, 2nd_{.ed London: John} Wiley and Sons.

8. Nechleba, Miroslav.1957.Hydraulic

Turbine Their Design and

Equipment.Czeckoslovakia:Artia Pragu.

9. Patty, OF. 1995. Tenaga Air. Surabaya: Erlangga.

10. Pujanarsa, A., Nursuhud, D. 2006. Mesin Konversi Energi. Surabaya: Andi.

11. Sharma, K.N. And M.M.Dandekar.1991.Pembangkit Listrik Tenaga Air.Jakarta:Universitas Indonesia (UI Press).

12. SKF General Catalogue. 2003.

13. Warnick, C.C. Hydropower Engineering.1984.New Jersey: Prentice

Hall Inc, Englewood Cliffs.

14. Prayatmo, Wibowo. Turbin Air. 2007. Jakarta.Graha Ilmu.

15. Suhariyanto, 2002. Diktat Elemen Mesin I. Surabaya :

(12)

“Studi Kasus Di Sungai Suku Bajo, Desa Lamaanabi, Kecamatan Tanjung Bunga, Kabupaten Flores Timur, NTT” 16. Suhariyanto, Hadi, Syamsul. 2002. Diktat

Elemen Mesin II. Surabaya : Program

Studi D3 Teknik Mesin ITS

17. Purwanto, Nanda, Dwi. 2013. On Job Training PT. PLN (PERSERO) PUSHARLIS UWP VI Surabaya. DIII Teknik Mesin FTI – ITS.

18. Rosyadi, Aulia. 2012. Perancangan

Turbin Francis Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (2x1 MW), Studi Kasusus di Sungai Wolowuna, Desa

Tiwutewa, Kecamatan Ndungga,

Kabupaten Ende, Pulau Flores, NTT.

Surabaya: Teknik Mesin FTI – ITS. 19. Wisuda, Yahya NA. 2008.Perancangan

Turbin Francis Bertitik Berat Pada Roda Turbin, Studi Kasus Pada MHP 1 UUS

Klisasat – Jampit PTPN XII. Surabaya:

Teknik Mesin FTI – ITS.

20. Suharianto, Hadi Syamsul 2011.Diktat

Elemen Mesin I.Surabaya:Progam Studi

DIII Teknik Mesin ITS.

21. Suharianto, Hadi Syamsul 2011.Diktat

Elemen Mesin II.Surabaya:Progam Studi

DIII Teknik Mesin ITS.

22. www.engineeringtoolbox.com.2014.Engin e Transmission (http://www.engineering toolbox.com): 24 Mei 2014

23. www.pipingdesign.com.2014. Standard Dimensions and Weight of PVC – Polyvinyl Chloride – and CPVC – Chlorinated Polyninyl Chloride – Pipes According ASTM. (http://

www.pipingdesign.com/PVC): 25 Mei 2014