TURBIN PELTON
RODA PELTON (PELTON TURBINE)
Turbin ini dinamai oleh Lester A Pelton (1829 – 1908), seorang insinyur Amerika yang mengembangkannya pada th. 1880.
Roda Pelton adalah suatu turbin yang mempunyai head tinggi (lebih dari 500 m).
Catatan : Head adalah jarak air jatuh sebelum menumbuk sudu turbin.
2
Roda Pelton (Turbin Pelton)...
Aliran air tangensial terhadap runner, dan ini dinamakan Turbin Impuls aliran tangensial.
Runner turbin Pelton terdiri dari roda tunggal yang dipasang pada poros horizontal.
Air jatuh kearah depan turbin melalui pipa penstock dan melalui nozzle.
Jet air dengan kecepatan tinggi menumbuk sudu (bucket/blade) pada roda yang menye babkan roda berputar.
Batang yang berbentuk jarum diujungnya dapat digerakan oleh handwheel
(roda tangan). Ini gerakan untuk mengon trol aliran air meninggalkan nozzle, sebelum menumbuk sudu (bucket).
Roda Pelton (Turbin Pelton)...
Sudu atau bucket berbentuk mangkok kembar dan ketika air menumbuk , massa air akan dipecah menjadi dua oleh splitter.
Tumbukan air akan memberikan gaya impuls pada pusat sudu/bucket.
4
Pelton Wheel (Pelton turbine)…
Pelton Wheel (Pelton turbine)…
6
Pelton Wheel (Pelton turbine)…
Pelton Wheel (Pelton turbine)…
8
Komponen utama instalasi Roda Pelton terdiri dari,
Nozzle dengan kontrol mekanis
Nozzle dipasang diujung akhir pipa penstock dan nozzle tersebut dilengkapi dengan batang jarum/lembing mekanis untuk mengkontrol jumlah air. Spear (jarum/lembing) mengubah bukaan nozzle dengan bergerak keluar masuk.
Gerakan spear dikontrol/dioperasikan oleh governor. Kecepatan jet keluar nozzle tetap sama, hanya jumlah airnya yang berubah
Sudu (Bucket) dan Runner
- Bentuk sudu (bucket) : Mangkok ganda hemispherical.
Splitter adalah sisi tajam vertical pada pusat sudu.
Sudut keluaran sudu bervariasi antara 10o hingga 20o yang berarti membe lokan 160o hingga 170o.
- Untuk head rendah, biasanya bucket terbuat dari besi tuang
- Untuk head tinggi, biasanya terbuat dari bronze, baja tuang atau baja stainless.
Casing / Penutup
Casing biasanya digunakan untuk, - mencegah air agar tidak memercik.
- mencegah terjadinya kecelakaan.
10
Hydraulic Brake
Setelah nozzle ditutup, biasanya runner masih berputar untuk beberapa saat oleh karena inersia, maka hydraulic brake diperlukan untuk menghentikan runner.
Defleksi
Ketika beban turbin berkurang secara mendadak, maka supply air harus
dikurangi dengan menutup nozzle. Penutupan nozzle secara mendadak dapat menimbulkan “water hammer”, nozzle ditutup pelan2 dan air yang masih me ngarah ke bucket dibelokan menjauhi bucket oleh plat yang bergerak (deflector)
EKSPRESSI DAYA PADA RODA PELTON
H1= Gross head = Perbedaan level antara head race (muka air bendungan) de ngan tail race (muka air hilir).
12
Untuk turbin impuls, head yang tersedia hanya dari muka air bendungan hingga ujung keluaran nozzle, sehingga Gross Head untuk Turbin Impuls adalah (H1– z), dimana z adalah beda level ujung keluaran nozzle dengan permukaan air di tail race.
Head netto atau head effectif adalah head yang tersedia pada sisi masuk ke turbin.
H = (H1–z) – hf
dimana : hf adalah head loss pada pipa penstock.
Head netto juga didapat dari,
Dimana : Pp = Tekanan pada sisi masuk ke nozzle Vp = Kecepatan dipipa penstock
V = Kecepatan jet
g V H P
p p2
2
nozzle didalam
Losses g
V
2
2
Daya pada turbin pelton juga bisa didapat dari tumbukan jet pada pusat bucket, seperti ter
Kecepatan relatip diberikan oleh : Vr = V – u Kecepatan pusar diberikan oleh Vw = V
Segitiga kecepatan pada outlet dapat dilukis untuk sudut β yang tajam. Ujung bucket pada sisi inlet dan outlet mempunyai jarak radial yang sama terhadap pusat roda, u1 = u.
Vr u u
V = Vw
Segitiga kecepatan pada sisi masuk
Segitiga kecepatan pada sisi keluar
14
u1
Kecepatan relatip pada ujung bucket disisi outlet adalah
Vr1 = k Vr , dimana k adalah konstanta yang dihitung terhadap adanya gesekan.
k = 1, bila permukaan bucket halus (smooth)
Dari segitiga kecepatan disisi outlet, Vw1 = Vr1 cos φ – u1
= k Vr cos φ – u
= k (V – u) cos φ – u Daya Turbin,
Daya Runner = (Vw.u ± Vw1.u1)
P = (V + k (V – u) cos φ – u) u
tanda plus menunjukan bahwa komponen Vw1 berarah negatip. Jika sudut β adalah sudut tumpul, komponen Vw1 adalah berarah positip dan tanda negatip digunakan.
P = [(V – u)(1+ k cos φ) u]
Dengan mengabaikan losses didalam nozzle,
m m
m
Effisiensi hidrolik (ηh) adalah rasio dari daya runner terhadap daya input.
Effisiensi hidrolik juga bisa didefinisikan sebagai rasio power yang dikembangkan oleh runner (P) terhadap power yang disupply ke Turbin (Pi).
Effisiensi hidrolik akan maksimum, bila
2 2
) cos 1
)(
( 2
2 1
] ) cos 1
)(
[(
V
u k
u V
V m
u k
u V m P
P
i h
0 du d
h16
) cos
1 2 (
1
2 ) ( ) cos
1 ( 2 ) (
2 )
2 u V
0 u
2 - V
0 ]
) cos
1 ( ) (
2 [
max 2
k
V k V V V
u k
u du V
d
h
Jika k = 1 , yaitu bila permukaan bucket halus (smooth) ηh)max = ½ (1 + cos φ)
Jika bucket membelokan jet 180o, dan dibuat φ = 0, effisiensi hidrolik menjadi 100%.
Daya roda Pelton juga dapat diekspressikan sebagai perbedaan daya kinetik air pada inlet dan pada outlet.
Effisiensi hidrolik,
) 2 (
1
21
2
V
V m
P
2 2 1 2
2 2 1 2
2 1
) 2 (
1
V V V
V m
V V
m P
P
h
i h
18
Effisiensi Mekanis (ηm) didefinisikan sebagai rasio dari power yang didapatkan dari poros (SHP) terhadap daya yang dikembangkan oleh Runner (P)
S.H.P = Shaft Horse Power = Daya poros.
Beda antara S.H.P dan daya yang dikembangkan runner oleh karena mechanical losses (kerugian mekanis).
Effisiensi Overall dari turbin didefinisikan sebagai rasio dari shaft horse power (S.H.P) terhadap daya yang disupply ke Turbin.
P P H S
m
.
.
) (
ovh m
ov
i i
ov
x
P X P P
P H S P
P H S
. . . .
Effisiensi Volumetrik (ηv) adalah rasio volume air yang secara aktual menumbuk runner, terhadap air yang disupply ke Turbin.
Beda ∆Q oleh karena air yang meleset, tidak menumbuk bucket.
Untuk Turbin Pelton ηv = 0,97 ÷ 0,99 , biasanya diambil 100%
Ukuran Kerja Turbin Pelton
1. Kecepatan jet : Kecepatan theori jet
H = Head netto [m]
Kecepatan aktual : dimana : Cv = koefisien kecepatan = 0,98 ÷ 0,99
Q Q
Q
v
H g V
th 2
H g C
V
v2
20
2.Daya theoritis (Pt) : Daya yang tersedia dari air ( daya hidrolis air) yang dapat diestimasi dengan,
Dimana : H = Head netto [m]
ρ = Kerapatan / massa jenis [kg/m3] Q = Laju volume air [m3/det]
Daya theoritis ini juga disebut Water Horse Power (W.H.P) Terlihat bahwa, Daya yang disupply ke runner (Pi) adalah, Pi = Pt – Power lost didalam nozzle
] 746 Q H [ Hp P
t g
Pi = W.H.P Jika losses didalam nozzle diabaikan
Daya aktual yang dikembangkan oleh roda Pelton adalah, S.H.P = ηOV . (W.H.P)
3. Sudut (φ) : sudut bervariasi dari 10o ÷ 20o nilai rata-rata φ adalah 15o
4. Diameter jet (d) : Diameter jet didapatkan bila kapasitas aliran diketahui.
Q = A . V =
Dimana : Q = Laju alir volume [m³/det]
= Kapasitas Aliran = Debit Aliran.
Ukuran terbesar jet sekitar 30 [cm].
5. Speed ratio (Kv) : adalah rasio antara kecepatan roda pada lingkaran pitch (u) dengan kecepatan theoritis jet.
Dalam praktek,
Nilai Kv = 0,43 ÷ 0,47 Nilai rata2 = 0,45
H g C
d .
v. 2 4
2H g C
d Q
v
2
4
H g Kv u
2
22
6. Diameter rata2 roda (D) : Diameter rata2 roda diukur hingga ke pusat bucket.
Diameter rata2 roda juga bisa dihitung dari kecepat an keliling (u).
D dikenal juga sbg diameter pitch.
7. Jet rasio (m) : Jet rasio adalah rasio antara diameter pitch dengan diameter jet.
Nilai m bervariasi dari 11 ÷ 14, nilai rata2 12.
60 N u D
N D u
60
d
m D
8. Ukuran bucket
Panjang radial (L) = 2 ÷ 3 d Lebar Axial (B) = 3 ÷ 5 d Kedalaman (T) = 0,8 ÷ 1,2 d
9. Jumlah jet
Umumnya turbin Pelton dengan 1 jet (single jet). Tetapi untuk pengembang an daya diperlukan lebih dari 1 jet (multiple jet).
Maximum jet = 6 10. Jumlah bucket.
Jumlah bucket biasanya diberikan oleh rumusan empiris, yang diturunkan oleh Taygun.
15 5
, 0
2 15
m
d z D
24 Gambar : Bucket Roda Pelton
Soal-soal :
1. Jet air keluar dari nozzle lalu menumbuk bucket roda Pelton dan jet tersebut lalu dibelokan 165o Kecepatan relatip air keluar dari bucket 0,9 kali kecepatan
relatip air memasuki bucket. Kecepatan bucket 0,46 kali kecepatan jet theori tis. Jika kecepatan putar roda Pelton 300 [rpm] dengan head effectif 150 [m], dan Cv = 0,98
Hitung : a. Effisiensi hidrolis
(η
h) ?
b. Diameter roda Pelton ?2. Daya poros yang dihasilkan oleh roda Pelton adalah 12500 [Hp], ketika beker ja dibawah head 300 [m]
Diassumsikan : nilai-nilai Cv = 0,98 Kv = 0,45 m = 12 Tentukan : a. Jumlah jet ?
b. Diameter roda ? c. Debit air (Q) ? d. Diameter jet (d) ? e. Jumlah bucket ?
Diambil : Kecepatan roda 550 [rpm] dengan ηov = 85%.
3. Dalam test laboratorium untuk turbin impuls, didapatkan data2 sbb:
- Diameter jet (d) = 3,90 [cm]
- Debit air (Q) = 0,02 [m3/det]
- Head pada nozzle / head netto (H) = 15 [m]
- Daya poros (SHP) = 3,2 [Hp]
- Koefisien kecepatan Cv = 0,98
Diassumsikan : Effisiensi mekanis (ηm) = 90 %
Tentukan : a. Daya yang hilang didalam nozzle ?
b. Daya yang dibuang (tak dimanfaatkan) ke tail race ? c. Daya yang hilang dalam gesekan mekanis ?
4. Pada Hydroelectric SiGura-Gura, jarak antar bendungan yang terletak pada dae rah ketinggian dengan rumah turbin adalah 1,6 [km]. Air dilewatkan melalui 4 pipa penstock tersusun parallel yang masing2 mempunyai diameter 130 [cm]
dan setiap pipa tersebut dipasang nozzle berdiameter 20 [cm] diujung keluaran nya. Sistemnya terdiri dari 4 roda Pelton yang masing2 dengan jet tunggal
(single jet), yang bekerja dibawah head netto pada nozzle 500 [m]. Diameter rata2 setiap roda 2,0 [m].
Assumsi : - Jet dibelokan dengan sudut 165o oleh bucket dan speed rasio (Kv) = 0,46
- Koefisien kecepatan (Cv) = 0,98.
Tentukan : a. Daya masing2 jet ?
b. Daya total yang tersedia pada bendungan jika diambil harga koefisien gesek pipa = 0,032 ?
c. Daya hidrolik setiap turbin, jika effisiensi volumetrik (ηv) = 0,97 d. SHP setiap Turbin, bila effisiensi mekanis (ηm) = 0,98 ? 26
