BAB II 2 LANDASAN TEORI. 2.1 Turbin Air

Transkripsi

1 BAB II 2 LANDASAN TEORI 2.1 Turbin Air Turbin air atau pada mulanya kincir air adalah suatu alat yang sudah sejak lama digunakan untuk keperluan industri. Pada mulanya yang dipertimbangkan adalah ukuran kincirnya, yang membatasi debit dan head yang dapat dimanfaatkan. Perkembangan kincir air menjadi turbin modern membutuhkan jangka waktu yang cukup lama. Perkembangan yang dilakukan dalam waktu revolusi industri menggunakan metode dan prinsip ilmiah. Mereka juga mengembangkan teknologi material dan metode produksi baru pada saat itu. Kata "turbine" ditemukan oleh seorang insinyur Perancis yang bernama Claude Bourdin pada awal abad 19, yang diambil dari terjemahan bahasa Latin dari kata "whirling" (putaran) atau "vortex" (pusaran air). Perbedaan dasar antara turbin air awal dengan kincir air adalah komponen putaran air yang memberikan energi pada poros yang berputar. Komponen tambahan ini memungkinkan turbin dapat memberikan daya yang lebih besar dengan komponen yang lebih kecil. Turbin dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih cepat dan dapat memanfaatkan head yang lebih tinggi Jenis Jenis Turbin Air Pada prinsipnya aliran air yang menuju turbin diarahkan langsung menuju sudu-sudu melalui pengarah, sehingga menghasilkan daya pada sirip. Selama sudu berputar, gaya yang dihasilkan bekerja melalui suatu jarak, sehingga menghasilkan kerja. Dalam proses ini, energi ditransfer dari aliran air ke turbin.turbin air dibedakan menjadi dua kelompok, yaitu turbin reaksi dan turbin impuls. a) Turbin reaksi Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin yang prinsip kerjanya dilakukan dengan merubah seluruh energi air menjadi energi puntir.turbin reaksi digerakkan dengan air, 5

2 6 akan merubah tekanan sehingga melewati turbin danmenaikkan energi. Turbin reaksi harus menutup untuk mengisi tekanan air (pengisap) atau mereka harus sepenuhnya terendam dalam aliran air. Hukum ketiga Newton menggambarkan transfer energi untuk turbin reaksi. Beberapa contoh turbin reaksi diantaranya : 1. Francis 2. Kaplan, Propeller, Bulb, Tube, Straflo 3. Tyson 4. Kincir air Gambar 2.1(a) Turbin Francis, (b) Turbin Kaplan, (c) Turbin Tyson, dan (d) Kincir Air (Sumber: google.com) b) Turbin Impuls Turbin impuls merupakan turbin yang merubah aliran semburan air. Semburan air akan membentuk sudut yang membuat aliran putaran pada turbin. Hasil perubahan momentum (impuls) disebabkan tekanan pada sudu turbin. Sebelum mengenai sudu turbin, tekanan air (energi potensial) dikonversi menjadi energi kinetik oleh sebuah nosel dan difokuskan pada turbin. Tidak ada tekanan yang dirubah pada sudu turbin, dan turbin tidak memerlukan rumahan untuk operasinya. Turbin impuls ini paling sering digunakan pada aplikasi turbin dengan tekanan yang sangat tinggi. Hukum kedua Newton menggambarkan transfer energi untuk turbin impuls. Beberapa contoh dari turbin impuls adalah : 1. Pelton 2. Turgo 3. Michell-Banki (crossflow).

3 7 Gambar 2.2 (a) Turbin Pelton, (b) Turbin Turgo, dan (c) Turbin crossflow (Sumber: google.com) Desain dan Aplikasi Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang didapatkan dan kurang lebih pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan untuk tempat dengan head tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head rendah. Turbin Kaplan baik digunakan untuk semua jenis debit dan head, efisiiensinya baik dalam segala kondisi aliran. Turbin kecil (umumnya dibawah 10 MW) mempunyai poros horisontal, dan kadang dipakai juga pada kapasitas turbin mencapai 100 MW. Turbin Francis dan Kaplan besar biasanya mempunyai poros / sudu vertikal karena ini menjadi penggunaan paling baik untuk head yang didapatkan, dan membuat instalasi generator lebih ekonomis. Poros Pelton bisa vertikal maupun horisontal karena ukuran turbin lebih kecil dari head yang di dapat atau tersedia. Beberapa turbin impuls menggunakan beberapa semburan air tiap semburan untuk meningkatkan kecepatan spesifik dan keseimbangan gaya poros. Gambar 2.3 Skema Pemilihan Turbin (H vs F) (Sumber: google.com) Kaplan 2.0<H<40 Francis 10<H<350 Turgo 50<H<250 (H=head dalam meter) Pelton Crossflow 50<H<1300 3<H<250

4 Kecepatan Spesifik Kecepatan spesifik (n s ), menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak berhubungan dengan ukurannya. Hal ini menyebabkan desain turbin baru yang diubah skalanya dari desain yang sudah ada dengan performa yang sudah diketahui. Kecepatan spesifik merupakan kriteria utama yang menunjukkan pemilihan jenis turbin yang tepat berdasarkan karakteristik sumber air. Kecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan sebagai kecepatan ideal, persamaan geometris turbin, yang menghasilkan satu satuan daya tiap satu satuan head. Kecepatan spesifik tubin diberikan oleh perusahaan (dengan penilaian yang lainnya) dan dan selalu dapat diartikan sebagai titik efisiensi maksimum. Perhitungan tepat ini menghasilkan performa turbin dalam jangkauan head dan debit tertentu. Q H 0.5 Ns n n = rpm P = Debit (m 3 /s) H = Head Tabel 2.1 Kisaran Kecepatan Spesifik Beberapa Turbin Air Jenis Turbin Kecepatan Spesifik Turbin Pelton 12 Ns 25 Turbin Francis 60 Ns 300 Turbin Crossflow 40 Ns 200 Turbin Propeller 250 Ns 1000 Sumber: pelaksanaan-turbin-air.html

5 9 2.2 Turbin Crossflow Turbin Crossflow adalah salah satu turbin air jenis jenis turbin aksi (impulse turbine). Prinsip kerja turbin ini mula-mula ditemukan oleh seorang insinyur Australia yang bernama A.G.M. Michell pada tahun Kemudian turbin ini dikembangkan dan dipatenkan di Jerman oleh Prof. Donat Banki sehingga turbin ini diberi nama Turbin Banki kadang disebut juga Turbin Michell-Ossberger (Haimerl, L.A., 1960). Secara teoritis, rentang penerapan turbin Crossflow berada diantara nilai tinggi terjun m dan nilai debit m 3 /detik. Gambar 2.4 Turbin Crossflow (Sumber: google.com) Turbin crossflow terdiri dari 2 bagian utama, yaitu mulut pancaran air (nozel) dan runner. Runner turbin terbuat dari 2 buah piringan lingkaran sejajar yang ditempatkan tegak lurus sumbu melalui pusat lingkaran dan yang satu dengan yang lainnya dihubungkan dengan sudu-sudu lengkung di sekeliling lingkaran. Nosel berpenampang persegi, mengeluarkan pancaran air sepanjang lebar runner turbin dengan pancaran yang tidak terlalu besar Prinsip Kerja Turbin Crossflow Pada dasarnya aliran tubin crossflow adalah menyilang (radial), sehingga diameter runner tidak tergantung pada besarnya tumbukan air, sedangkan panjang runner dapat ditentukan tanpa tergantung pada jumlah air. Pada roda turbin terdapat sudu dan air yang mengalir melalui ruang diantaranya sudu tersebut, arah aliran air diarahkan langsung menuju sudu-sudu melalui pengarah, agar menghasilkan daya pada sirip. Pancaran air yang masuk ke sudu-sudu turbin membentuk sudut terhadap garis singgung lingkaran roda turbin. Apabila roda turbin dapat berputar, maka ada gaya yang berputar pada sudu. Selama sudu berputar,

6 10 gaya bekerja melalui suatu jarak tertentu, sehingga menghasilkan kerja. Dalam proses ini, energi ditransfer dari aliran air ke turbin Kelebihan Turbin Crossflow Pemakaian jenis Turbin Crossflow lebih menguntungkan dibanding dengan penggunaan kincir air maupun jenis turbin mikrohidro lainnya. Pada daya yang sama turbin ini mempunyai kelebihan. Kelebihan pertama adalah hemat biaya. Yang dimaksud hemat biaya disini adalah biaya ketika pembuatan turbin itu sendiri. Dibandingkan dengan diameter kincir air, ukuran Turbin Crossflow sudah dapat dibangun hanya 10 cm saja. Dengan ukuran yang kecil, bisa disimpulkan dalam pembuatannya tidak memerlukan bahan-bahan yang terlalu banyak dan biaya yang besar. Sedangkan kelebihan yang kedua adalah effisiensi. Dibandingkan dengan kincir air effisiensi rata-rata turbin ini lebih tinggi. Itu terjadi karena pemanfaatan energi air pada turbin ini dilakukan dua kali. Yang pertama adalah ketika air pertama kali menumbuk sudu. Yang kedua adalah daya dorong air pada sudu ketika air akan meninggggalkan runner. Adanya kerja air yang bertingkat ini ternyata menguntungkan dari segi efektifitas. Kurva dibawah ini menjelaskan effisiensi dari bebeerapa jenis turbin konvensional. Gambar 2.5 Effisiensi Beberapa Turbin dengan Pengurangan Debit Sebagai Variabel (Sumber: Haimerl, L.A., 1960) Dari kurva tersebut ditunjukan hubungan antara effisiensi dengan pengurangan debit akibat pengaturan pembukaan katup yang dinyatakan dalam perbandingan debit terhadap debit maksimumnya. Untuk Turbin Crossflow dengan Q/Qmak = 1 menunjukan effisiensi yang cukup tinggi sekitar 80%, disamping itu untuk perubahan debit sampai dengan Q/Qmak = 0,2 menunjukan harga effisiensi yang relatif tetap ( Meier, Ueli,1981). Dari kesederhanaannya

7 11 jika dibandingkan dengan jenis turbin lain, maka Turbin Crossflow yang paling sederhana. Sudu-sudu Turbin Pelton misalnya, bentuknya sangat pelik sehingga pembuatannya harus dituang. Demikian juga runner Turbin Francis, Kaplan dan Propeller pembuatannya harus melalui proses pengecoran/tuang. Sedangkan, runner Turbin Crossflow dapat dibuat dari material baja sedang (mild steel) seperti ST.37 ataupun aluminium, dibentuk dingin kemudian dirakit dengan konstruksi las. Demikian juga komponen-komponen lainnya dari turbin ini semuanya dapat dibuat di bengkel-bengkel umum dengan peralatan pokok mesin las listrik, mesin bor, mesin gerinda meja, bubut dan peralatan kerja bangku, itu sudah cukup. Dari kesederhanaannya itulah maka Turbin Crossflow dapat dikelompokan sebagai teknologi tepat guna yang pengembangannya di masyarakat pedesaan memiliki prospek cerah karena pengaruh keunggulannya sesuai dengan kemampuan dan harapan masyarakat. Turbin Crossflow secara umum dapat dibagi dalam dua tipe ( Meier, Ueli, 1981 ) yaitu : 1. Tipe T1, yaitu Turbin Crossflow kecepatan rendah. 2. Tipe T3, yaitu Turbin Crossflow kecepatan tinggi. Kedua tipe turbin tersebut lebih dijelaskan oleh gambar 2.6: Gambar 2.6 Dua Tipe Turbin Crossflow (Sumber: Haimerl, L.A., 1960)

8 Daya Hidraulis Turbin Air Daya hidraulis adalah daya yang dibutuhkan untuk mengalirkan sejumlah zat cair. Daya ini bisa digunakan untuk mengetahui daya input pada Turbin Air. Daya ini dapat dihitung dengan persamaan 2.2 : P in turbin = ρ x g x H x Q.2.2 Dimana, P in turbin = daya hidraulis (watt) ρ = massa jenis air (kg/m 3 ) g = percepatan gravitasi (m/s 2 ) H = head (mka) Q = debit aliran air (m 3 ) Head yang dipakai adalah daya dorong pompa sentrifugal dimana satuan yang dipakai adalah mka (meter kolom air). Untuk tekanan 1 kg/cm 2 = 1 bar. Sedangkan dalam tekanan 1 bar, maka air diasumsikan akan naik setinggi sekitar 9,8 meter (meter kolom air). 2.4 Daya Mekanik Turbin Air Daya mekanik adalah daya yang dihasilkan dari hasil perkalian torsi ( ) dan kecepatan sudut ( ). Daya ini ialah ukuran seberapa besar kerja output yang dapat dihasilkan oleh turbin selama waktu tertentu. Daya ini dapat diketahui dengan rumus : P out turbin = x.2.3 Dimana, P out turbin = daya mekanik (watt) = torsi = F.r = (m.g)r (Nm) m = massa beban (kg) g = percepatan gravitasi (m/s) r = jari-jari poros (m) = kecepatan sudut = 2 x π x n 60 (rad/s) n = putaran poros per menit (rpm)

9 Efisiensi Turbin Air Efisiensi pada dasarnya didefinisikan sebagai perbandingan antara output dan input. Dalam kasus ini, output adalah besarnya daya mekanik pada turbin. Sedangkan input adalah besarnya daya hidraulis. Idealnya, besar efisiensi adalah 1 atau 100%. Berikut adalah cara menghitung besarnya efisiensi : Ƞ turbin = P out turbin P in turbin x 100% Hal Hal Penting Dalam Perencanaan Poros Untuk merencanakan sebuah poros, hal-hal berikut ini perlu diperhatikan : Kekuatan Poros Suatu poros transmisi dapat mengalami beban puntir atau lentur atau gabungan antara puntir dan lentur, juga ada poros yang mendapat beban tarik atau tekan seperti poros turbin. Kelelahan, tumbukan atau pengaruh konsentrasi tegangan bila diameter poros diperkecil (poros bertangga) atau bila poros mempunyai alur pasak harus diperhatikan. Sebuah poros harus direncanankan hingga cukup kuat untuk menahan beban-beban di atas Kekakuan Poros Meskipun sebuah poros mempunyai kekuatan yang cukup, tetapi jika lenturan atau defleksi puntirnya terlalu besar akan mengakibatkan ketidak-telitian (pada mesin perkakas) atau getaran dan suara (misalnya pada turbin dan gear box). Untuk itu, selain kekuatan poros yang harus diperhatikan, kekakuan poros juga harus menjadi konsen buat kita Putaran Kritis Bila putaran suatu mesin dinaikkan maka pada suatu harga putaran tertentu dapat terjadi getaran yang luar biasa besarnya. Putaran ini disebut putaran kritis. Hal ini dapat terjadi pada turbin ataupun poros-poros yang lain. Getaran ini nantinya dapat menyebabkan kerusakan pada poros dan bagian-bagian lainnya. Jika mungkin, poros harus memiliki putaran kerja yang rendah dari putaran kritisnya.

10 Korosi Bahan-bahan yang dipilih untuk dijadikan sebagai bahan pembuatan poros juga harus diperhatikan bahan mana saja yang sekiranya tahan korosi Poros Dengan Beban Puntir Berikut ini akan dibahas rencana sebuah poros yang mendapat pembebanan utama berupa torsi, seperti pada poros motor dengan sebuah kopling. Jika pada poros yang akan direncanakan tidak mendapat bahan lain selain torsi, maka diameter poros tersebut dapat lebih kecil daripada yang dibayangkan. Meskipun demikian, jika diperkirakan akan terjadi pembebanan berupa lenturan, tarikan atau tekanan. Misalnya jika sebuah sabuk, rantai atau roda gigi dipasangkan pada poros motor, maka kemungkinan adanya pembebanan tambahan tersebut perlu diperhitungkan dalam faktor keamanan yang diambil. Tata cara perencanaan diberikan dalam sebuah diagram aliran. Hal-hal yang perlu diperhatikan akan diuraikan seperti dibawah ini. Pertama kali, ambilah suatu kasus dimana daya (P) harus ditransmisikan dan putaran poros (n) diberikan. Dalam hal ini perlu dilakukan pemeriksaan terhadap daya P tersebut. Jika P adalah daya rata-rata yang diperlukan, maka harus dibagi dengan efisiensi mekanis Ƞ dari sistem transmisi untuk mendapatkan daya penggerak mula yang dibutuhkan. Daya yang besar mungkin diperlukan saat start, atau mungkin beban yang besar akan terus bekerja setelah start. Dengan demikian sering kali diperlukan koreksi pada daya rata-rata yang diperlukan dengan menggunakan faktor koreksi pada perencanaan. Jika P adalah daya minimal dari output dari motor penggerak, maka berbagai macam faktor keamanan biasanya dapat diambil dalam perencanaan. Sehingga koreksi pertama dapat diambil kecil. Jika faktor koreksi adalah f c maka daya rencana P d (kw) sebagai patokan adalah P d = f c. P (kw).2.5

11 15 Tabel 2.2 Faktor-faktor koreksi daya yang akan ditransmisikan (f c ) Daya yang akan ditransmisikan Daya rata-rata yang diperlukan 1,2-2,0 Daya maksimum yang diperlukan 0,8-1,2 Daya normal 1,0-1,5 Sumber : Dasar Prencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin oleh Sularso, Kiyokatsu Suga, 1997 f c Sehingga momen rencana T (kg.mm) dapat dihitung dengan persamaan 2.6 : T= (9,74 x 10 5 ) Pd n.2.6 Bila momen rencana T (kg.mm) dibebankan pada suatu diameter poros d s (mm), maka tegangan geser (kg/mm 2 ) yang terjadi adalah : = T 3 π.d s /16 = 5,1.T 3 d s.2.7 Jika momen puntir (disebut juga sebagai momen rencana) adalah T (kg.mm) maka tegangan geser yang diizinkan (kg.mm) untuk pemakaian umum pada poros dapat diperoleh dengan berbagai cara. Di sini, dihitung dengan dasar batas kelelahan puntir yang besarnya 40% dari batas kelelahan tarik yang besarnya kira-kira 45% dari kekuatan tarik. Jadi batas kelelahan puntir adalah 18% dari kekuatan tarik, sesuai dengan standar ASME. Untuk hara\ga 18% ini faktor keamanan diambil sebesar 1/0,18 5,6. Harga 5,6 ini diambil untuk bahan SF dengan kekuatan yang dijamin dan 6,0 untuk bahan S-C dengan pengaruh masa dan baja paduan. Faktor ini dinyatakan dengan S f1. Selanjutnya perlu diperhatikan apakah poros tersebut akan diberi alur pasak atau dibuat bertangga, karena pengaruh konsentrasi tegangan cukup besar. Pengaruh kekasaran permukaan juga harus diperhatikan. Untuk memasukkan pengaruh-pengaruh ini dalam perhitungan perlu diambil faktor yang dinyatakan dalam S f2 dengan harga sebesar 1,3-3,0. Dari sini, maka kita dapat menghitung besarnya seperti yang dijelaskan pada persamaan 2.8 :

12 16 = sf 1 x sf Kemudian keadaan momen puntir itu sendiri juga harus ditinjau. Faktor koreksi yang dianjurkan ASME juga dipakai disini. Faktor ini dinyatakan dalam Kt, dipilih sebesar 1,0 jika beban dikenakan secara halus, 1,0 1,5 jika terjadi sedikit kejutan atau tumbukan, dan 1,5 3,0 jika beban dikenakan dengan kejutan dan tumbukan besar. Meskipun dalam perkiraan sementara ditetapkan bahawa beban hanya terdiri atas momen puntir saja, perlu ditinjau pula apakah ada kemungkinan pemakaian dengan bebabn lentur di masa mendatang. Jika memang diperkirakan akan terjadi pemakaian dengan beban lentur maka dapat dipertimbangkan dengan pemakaian faktor C b yang harganya antara 1,2 sampai 2,3. (jika diperkirakan tidak akan terjadi pembebanan lentur maka C b diambil = 1,0). Maka dari itu didapatkanlah rumus untuk menghitung besar diameter poros ds (mm) seperti persamaan 2.7 ini : 3 ds= 5,1. Kt. Cb. T.2.9