BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 TURBIN AIR Turbin air termasuk dalam kelompok mesin-mesin fluida yaitu, mesin-mesin yang berfungsi untuk merubah energi fluida (energi potensial dan energi kinetis air) menjadi energi mekanis atau sebaliknya. Berdasarkan pengertian diatas maka, mesin-mesin fluida dapat dibagi atas 2 (dua) golongan yaitu : mesin-mesin tenaga (penggerak). Mesin ini berfungsi untuk merubah energi fluida menjadi energi mekanis pada poros. misalnya : turbin air, turbin uap, turbin gas, kincir air, kincir angin dan lainnya. Pompa, Kompresor, Blower, fan dan lain-lain berfungsi untuk mengubah energi mekanis pada poros menjadi energi fluida (energi potensial dan energi kinetis). 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). 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. (Untuk selanjutnya dikembangkan turbin impulse yang tidak membutuhkan putaran air). Tenaga air dimanfaatkan menjadi tenaga mekanis dimulai dari abad zaman prasejarah. Pada tahun 2200 SM, bangsa India Selatan sudah berhasil untuk merubah tenaga air menjadi tenaga mekanis yaitu dengan menggunakan kincir air. Air yang ada dialirkan melalui saluran dan langsung menumbuk kincir air yang di pasang pada ujung saluran. Tenaga yang ditimbulkan oleh aliran air dapat menyebabkan kincir air tersebut berputar, berputarnya kincir diteruskan ke poros kincir dan dengan dibantu oleh susunan roda gigi dapat digunakan untuk memutar generator atau alat yang lain, seperti penumbuk padi, jagung atau lain sebagainya. Pada mulanya kincir air dibuat dari kayu, tetapi lama-kelamaan dibuat dari bahan

2 yang lebih baik, sehingga efisiensi yang dihasilkan memuaskan. Dari model PLTA yang dibuat itu kemudian diikuti oleh Negara lain seperti Eropa, Amerika dan Negara lainnya. Para ahli yakin bahwa kincir air mulai digunakan sekitar 500 tahun sebelum digunakannya di negara India. Baru kemudian tepatnya pada abad ke-18 kincir air mengalami perkembangan yang sangat pesat dan dapat diubah menjadi turbin air. Kemajuan yang sangat pesat dari turbin air dilakukan oleh Prancis. Tepatnya tahun 1855 Prancis berhasil membuat turbin dan meraih sukses pada tahun Turbin Francis mempunyai poros tegak dengan ukuran yang besar, sedangakan dengan ukuran yang kecil dengan ukuran mendatar. Turbin Francis memakai roda propeller atau runner yang dapat berputar secara bebas. Awal mula yang membawa kesuksesan Francis adalah pelton yang telah membangun turbin aksi pada tahun Pelton membangun turbin dengan ketinggian jatuh air yang besar. Pemasukan air yang melalui saluran yang kemudian oleh pipa pesat (penstock) air tersebut dirubah menjadi kecepatan tinggi dan langsung menemukan sudu jalan. Sudusudu jalan dari turbin pelton berua bucket atau ember atau sekop yang dibuat runcing pada sisi sebelah luarnya. Turbin pelton memanfaatkan kecepatan air yang keluar dari pipa pesat, sehingga turbin ini termasuk aksi. Hamper 95% tenaga air yang diberikan menjadi diknetis. Dewasa ini makin banyak terlihat penggunaan PLTA, dimana penggunaan airnya dipompa ke atas pada waktu bebannya rendah. System ini sangat menguntungkan untuk memenuhi kebutuhan akan tenaga listrik. Sedangakan perkembangan lain adalah pembangunan PLTA di bawah tanah. Hampir semua pembangunan waduk PLTA digunakan berbagai keperluan, misalnya untuk irigasi, perikanan, dan sebagai pengendali banjir KLASIFIKASI TURBIN AIR Turbin air dapat dikelompokkan dengan berbagai cara. Jenis turbin dapat digolongkan menjadi tiga sesuai dengan range dari head-nya, yaitu : 1. Turbin dengan head rendah. 2. Turbin dengan head medium.

3 3. Turbin dengan head tinggi. Sedangkan menurut cara kerjanya, maka terdapat dua jenis turbin yaitu : 1. Turbin Impuls (aksi). 2. Turbin Reaksi. 1. Turbin Impuls (aksi). Turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya dengan merubah seluruh energi air (yang teridiri dari energi potensial-tekanankecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi puntir dalam bentuk putaran poros. Atau dengan kata lain, energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nosel. Contoh turbin impuls adalah turbin Pelton dan turbin Cross Flow. 1) Turbin Cross Flow Gamb ar 2.1 Turbin Cross Flow Ketika air masuk ke turbin akan diarahkan oaleh satu atau lebih baling-baling yang terletak di hulu runner dan melintas dua kali sebelum menginggalkan turbin. Prakondisi Mulai operasi dengan kepala antara 5 m < H < 200 m

4 Keuntungan i. Desain sederhana sehingga menyebabkan produksi yang baik dan tersandardisasi. ii. Murah dan kuat. iii. Dibandingkan dengan turbin lainnya, turbin cross flow biayanya lebih rendah. iv. Sangat dianjurkan untuk kondisi seperti di Indonesia. Kerugian Turbin cross flow memiliki efisiensi hingga 80% lebih rendah dibandingkan dengan jenis turbin lainnya. 2) Turbin Pelton Gambar 2.2 Turbin Pelton Turbin yang terdiri dari sejumlah ruang penampung untuk menangkap aliran air. Untuk arus yang lebih tinggi jumlah ruang penampung dapat ditingkatkan. Turbin yang sangat efisien. Prakondisi i. Mula operasi antara 50 m < H < 1300 m ii. Membutuhkan system aliran air yang rendah. Keuntungan

5 i. Konstruksi yang kompak. ii. Stabil dijalankan. iii. Mudah dioperasikan. Kerugian i. Tidak cocok untuk lokasi yang headnya rendah. ii. Tidak cocok untuk system aliran airnya tinggi. 2. Turbin Reaksi Turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir dalam bentuk putaran. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Turbin ini terdiri dari sudu pengarah dan sudu jalan dan kedua sudu tersebut semuanya terendam di dalam air. Air dialirkan ke dalam sebuah terusan atau dilewatkan ke dalam sebuah cincin yang berbentuk spiral (rumah keong). Perubahan energi seluruhnya terjadi di dalam sudu gerak. Turbin air yang paling banyak digunakan adalah turbin reaksi. Turbin reaksi digunakan untuk aplikasi turbin dengan head rendah dan medium. Pada turbin reaksi, letak turbin harus diperhatikan agar tidak terjadi bahaya kavitasi yang terjadi akibat adanya tekanan absolut yang lebih kecil dari tekanan uap air. Kavitasi dapat menyebabkan sudu-sudu turbin menjadi berlubang-lubang kecil, sehingga mengurangi efisiensi turbin yang akhirnya dapat pula merusak sudu turbin. Jika turbin diletakkan lebih tinggi dari tinggi tekanan isap, maka kavitasi akan terjadi, sehingga letak turbin harus selalu di bawah tinggi tekanan isap (Hs). Contoh turbin reaksi adalah turbin Francis dan turbin Propeler (Kaplan). 1) Turbin Francis Jenis turbin reaksi. Komponen Runner tenggelam dalam air sepenuhnya. Terdiri dari deretan bilah melengkung.

6 Regulasi aliran dilakukan melalui deretan yang dapat diatur. Prakondisi i. Mulai operasi antara 25 m < H < 350 m ii. H = head atau ketinngian air terjun. Keuntungan i. Operasional yang handal. ii. Konstruksi sederhana. iii. Tingginya efisiensi. Kerugian i. Tidak cocok untuk lokasi dengan Head (ketinggian air terjun) yang tinggi. Gambar 2.3 Turbin Francis 2) Turbin Propeler (Kaplan) Jenis turbin reaksi. Kaplan adalah jenis turbin tertua dengan konfigurasi sebuah ulir dan gerbang kecil radial untuk pengaturan aliran.

7 Turbin Kaplan memiliki pisau yang dapat diatur dan disesuaikan melalui gerbang kecil dan menghasilkan efisiensi terbaik terbaik atas berbagai laju aliran. Prakondisi i. Mulai operasi antara 2 m < H < 40 m ii. Memerlukan system yang tinggi alirannya. Keuntungan i. Turbin propeller dapat berjalan kecepatan tinggi dan head yang rendah. ii. Turbin Kaplan sangat efisien. Kerugian i. Mahalnya pemeliharaan dan investasi. ii. Tidak cocok untuk lokasi dengan head yang tinggi. Gambar 2.4 Turbin Propeler Perbandingan Karakteristik Turbin 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.

8 Kecepatan spesifik setiap turbin mempunyai kisaran (range) tertentu berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air adalah sebagai berikut: Turbin Pelton 12 < n s < 25 Turbin Francis 60 < n s < 300 Turbin Crossflow 40 < n s < 200 Turbin Propeller 250 < n s < 1000 Tabel 2.1 Kecepatan Spesifik Turbin 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. Dengan mengetahui kecepatan spesifik turbin, maka perencanaan dan pemilihan jenis turbin akan menjadi lebih mudah, bahkan dimensi dasar turbin dapat diestimasi (diperkirakan).

9 Gambar 2.5 Perbandingan Karakteristik Turbin. Pada gambar terlihat turbin pelton adalah turbin yang beroperasi pada head yang menengah hingga tinggi dengan kapasitas aliran air yang menengah, atau bahkan beroperasi pada kapasitas yang sangat rendah. Gambar 2.6 Daerah penggunaan dari beberapa jenis konstruksi turbin yang berbeda.

10 Dalam pembuatan roda turbin, kebanyakan pertama sekali membuat modelnya, setelah model tersebut diselidiki, diuji dan diubah-ubah sehingga menghasilkan daya dan randemen turbin yang baik, kemudian baru dibuat roda turbin yang besar/sesungguhnya menurut bentuk modelnya Head Turbin Head turbin dapat juga disebut sebagai tinggi jatuh air dan sering dinotasikan sebagai H. Head turbin dapat ditentukan berdasarkan persamaan Bernoulli. Menurut persamaan Bernoulli besar energi aliran adalah : (Nm) dimana notasi : m = massa g = kecepatan gravitasi bumi z = selisih ketinggian (tinggi air atas tinggi air bawah) P = tekanan c = kecepatan Jika pada aliran tersebut m = 1 kg, maka energi spesifiknya : ( ) Bila energi spesifik tersebut dibagi dengan gravitasi maka ketinggian : (m)

11 dimana : z adalah ketinggian dari suatu tempat yang dipakai sebagai standar Dinamakan Tinggi Tekan Dinamakan Tinggi Kecepatan Hal ini sesuai dengan Bunyi Persamaan Bernoulli : Pada tiap saat dan tiap posisi yang ditinjau dari suatu aliran di dalam pipa tanpa gesekan yang tidak bergerak, akan mempunyai jumlah energi ketinggian tempat, tekanan dan kecepatan yang sama besarnya Gambar 2.7 Diagram Bernoulli Untuk Turbin Air. Persamaan momentum untuk pipa yang dialiri fluida, dimana sifat fluida konstan sebagai berikut:

12 Saat head loses akibat gesekan tidak diperhitungkan, maka persamaan momentum akan berubah menjadi persamaan Bernoulli. Persamaan ini ditemukan pada aliran fluida yang tidak mengalami gesekan. Persamaan momentum untuk titik 1 dan 3, diperoleh: Persamaan momentum untuk titik 2 dan 3, diperoleh: Keterangan: P = tekanan absolut (N/m 2 ) v = kecepatan (m/s) H l = head loses pada pipa (m) H eff = head efektif (m) Untuk kondisi-kondisi instalasi turbin air di atas dimana: Untuk waduk (reservoir titik 1) kecepatan V 1 0. (pressure grade adalah nol). Maka, Persamaan kontinuitas : Q = V A

13 Keterangan: Q = debit aliran (m 3 /detik) V = kecepatan aliran (m/s) A = luas penampang pipa (m 2 ) Head losses yang terjadi pada saluran pipa: 1. Mayor Loses yang terjadi akibat gesekan aliran dalam satuan pipa 2. Minor Loses yang terjadi akibat adanya perlengkapan (equipment) pipa, seperti belokan (elbow), valve, saringan dan peralatan lainnya. 2.2 TURBIN PELTON Pemilihan jenis turbin umumnya didasarkan pada besarnya kecepatan spesifik dari kondisi kerjanya. Kecepatan spesifik adalah kecepatan turbin model (turbin dengan bentuk sama tetapi skalanya berlainan). Kecepatan spesifik dipakai sebagai tanda batasan untuk membedakan tipe roda turbin dan dipakai sebagai suatu besaran yang penting dalam merencanakan turbin air. Persamaan kecepatan spesifik dinyatakan sebagai : dimana : n = Kecepatan turbin pada efisiensi maksimum, (rpm) P = Daya Turbin, (kw) Ns = Putaran spesifik, (rpm) H = Tinggi air jatuh, (meter) Selanjutnya dengan mengetahui besarnya kecepatan spesifik, maka jenis turbin dapat ditentukan berdasarkan tabel dibawah ini :

14 Ns Turbine Type Pelton Wheel with 1 nosel Pelton Wheel with 2 nosel Pelton Wheel with 4 nosel Francis Turbine, Low-Speed Francis Turbine, Normal Francis Turbine, High-Speed Francis Turbine, Express Propeller and Kaplan Turbine Tabel 2.2 Kecepatan Spesifik ( ) Pengenalan Turbin Pelton Turbin Pelton termasuk dalam kelompok jenis turbin Impuls. Karakteristik umumnya adalah pemasukan sebagian aliran air ke dalam raner pada tekanan atmosfir. Pada turbin Pelton puntiran terjadi akibat pembelokan pancaran air pada mangkok ganda raner. Oleh karena itu maka turbin Pelton juga disebut Turbin Pancaran Bebas. Penyempurnaan terbesar yang dilakukan Pelton (sebagai penemu turbin) yakni dengan menerapkan mangkok ganda simetris. Bentuk ini pada dasarnya masih tetap berlaku. Punggung pembelah membagi jet menjadi dua paruh yang sama, yang dibelokkan menyamping. Pada dasarnya turbin terdiri atas bagian bagian : Runner, Nosel dan Rumah Turbin. a. Runner Runner turbin Pelton terdiri atas cakra dan sejumlah sudu yang terpasang disekelilingnya. Cakra dipasang ke poros dengan sambungan pasak. Runner kebanyakan merupakan coran tunggal dari baja dengan kandungan 13% Cr. Raner Pelton terbesar memiliki garis tengah lebih dari 5 meter dan berat lebih dari 40

15 Ton. Selain itu ada pula runner yang antara cakra dengan sudunya terpisah, dimana pemasangan mangkok ke cakra runner ada bermacam macam cara. Gambar 2.8 Runner Turbin Pelton b. Sudu (Bucket) Pembuatan sudu dari belahan pipa atau konstruksi las dengan bahan plat baja sama sekali tidak dianjurkan, karena kekokohannya kurang dan efisiensinya rendah. Sudu bisa dibuat dari beragam bahan. Demikian pula halnya bila runner dicor sebagai satu kesatuan. Selain bahan dari baja tuang yang mengandung unsur Cr 13% dipakai juga bahan dan cara lain, termasuk besi tuang atau paduan seperti kuningan atau almunium atau pencetakan injeksi plastik diperkuat dengan serat gelas.

16 a) Setengah Silinder b) Mangkuk Gambar 2.9 Sudu (Bucket) c. Nosel Nosel merupakan bagian dari turbin, didalam nosel tekanan air dirubah menjadi kecepatan. Nosel terdiri atas bagian selubung serupa hidung yang dipasang pada belokan pipa, dan jarum nosel yang bisa digerakkan didalam belokan pipa. Kerucut jarum dan selubung, yang cepat aus, dibuat dari bahan bermutu tinggi serta mudah untuk diganti. Gambar 2.10 Nosel d. Rumah Turbin Rumah turbin pelton selain sebagai tempat nosel terpasang, juga berfungsi menangkap dan membelokkan percikan aliran air ke luar mangkok sedemikian hingga baik raner maupun pancaran tidak terganggu. Umumnya rumah turbin

17 dirancang dalam dua bentuk yaitu rumah turbin dan generator disusun tegak dengan rumah turbin dan generator disusun mendatar. Rumah turbin dapat dibuat sederhana dengan konstruksi las dari plat baja. Gambar 2.11 Rumah Turbin Pelton Karakteristik Grafik Turbin Pelton Adapun karateristik grafik turbin pelton dibagi dalam 2 jenis yaitu: 1. Karakteristik Grafik Turbin Untuk Head Tetap a. Grafik Debit vs Efisiensi Maksimal (Q vs ɳ) Pada gambar grafik 2.12 ini dijelaskan bahwa pada nilai efisiensi maksimal terdapat pada Φ = 0,46, setelahnya mengalami penurunan nilai efisiensi.

18 Gambar 2.12 Grafik Debit vs Efisiensi (Q vs ɳ) b. Grafik Daya vs Efisiensi (P vs ɳ) Pada gambar grafik 2.13 dijelaskan bahwa semakin tinggi efisiensi semakin tinggi juga daya yang dihasilkan. Gambar 2.13 Grafik Daya vs Efisiensi (P vs ɳ) 2. Karakteristis Grafik Turbin Untuk Variasi Bukaan Katup a. Grafik Kecepatan Turbin vs Daya Turbin (rpm vs P) Pada gambar grafik 2.14 dijelaskan bahwa daya turbin akan semakin naik jika rpm juga naik. Dan variasi bukaan katub penuh menjadi daya tertinggi dan rpm tertinggi.

19 Gambar 2.14 Grafik Kecepatan Turbin vs Daya Turbin (rpm vs P) b. Grafik Kecepatan Turbin vs Efisiensi (rpm vs ɳ) Pada gambar grafik 2.15 dijelaskan bahwa nilai efisiensi turbin akan semakin naik jika rpm juga naik. Dan variasi bukaan katub penuh menjadi daya tertinggi dan rpm tertinggi. Gambar 2.15 Grafik Kecepatan Turbin vs Efisiensi (rpm vs ɳ) 2.3 KARAKTERISTIK TURBIN PELTON YANG DIGUNAKAN Turbin yang dirakit adalah Turbin Pelton Mikro, dengan data untuk perencanaan adalah :

20 Type atau Jenis Jumlah Nosel Posisi Poros Head Kapasitas Air Efektif Jumlah Sudu Turbin Bentuk Sudu : Turbin Pelton Mikro : 1 (satu) : Horizontal (mendatar) : 5,21 m : 0,0035m 3 /s = 3,5 L/s : 24 sudu : Mangkuk dan Setengah Silinder 2.4 DINAMOMETER Dinamometer adalah instrumen untuk mengukur daya, kerja atau daya yang dilakukan oleh manusia, mesin dan hewan. Motor bensin dan poros PTO traktor menghasilkan daya putaran. Dinamo meter tidak mengukur daya secara langsung, tetapi dinamometer memberikan cara menentukan besarnya torsi yang mampu dihasilkan oleh suatu motor atau mesin. Daya dapat di ukur dengan alat yang dinamakan dinamometer, dinamometer adalah alat istrumen untuk mengukur gaya, kerja, atau daya kerja yang dilakukan manusia, hewan dan mesin. Torsi ditentukan sebagai hasil dari penggunaan suatu beban dengan dinamometer. Unit beban (load unit) yaitu bagian dari dinamometer yang menyediakan beban, harus dapat bebas bergerak pada arah putaran poros. Panjang lengan torsi diukur dari pusat poros unut daya yang diuji hingga dimana lengan torsi memberikan gaya pada timbangan. Sedangkan kecepatan poros unit daya yang diuji ditentukan menggunakan alat yang dinamakan techometer. Ada dua cara pembebana secara mekanis yaitu, metode tali-dan-pegas dan rem-prony. Sedangkan secara hidrolik terdapat dua cara pembebanan pula, yaitu pembebanan ream air dan pompa-gir. Cara mengkonvesi pengukuran torsi kedaya :

21 Saat ini dinamometer telah berkembang, adapun dinamometer modern yaitu : Hysterisis Brake : merupakan dinamometer versatil dan ideal untuk pengujian kisaran daya rendah hingga menengah (maks. 14 kw). Brake Arus Addy : cocok diaplikasikan yang memerlukan kecepatan tinggi dan juga pengoprasian daya kisaran menengah hingga tinggi. Dinamo ini memiliki inersia rendah akibat diameter rotor yang kecil. Power Brake Dinamometer : memiliki bubuk mahnetik. Alur listrik melintasi koil membangkitkan medan magnet, yang merubah sifat-sifat bubuk magnet itu. Seperti dinamometre histerisis, dinamo power brake memberikan torsi penuh pada kecepatan nol. Gambar 2.12 Dinamo Meter 2.5 EFISIENSI TURBIN ( ) = x 100 %

22 Daya air dapat dihitung dengan rumus : P air = ρ g Q dimana: = massa jenis air (1000 kg/m 3 ) g = gaya gravitasi (9,81 m/s 2 ) = head efektif (m) Q = kapasitas air (m 3 /s) Daya turbin dapat dihitung dengan rumus : PT = т ω Dimana ; PT Т ω = Daya Turbin (Watt) = Torsi (Nm) = Kecepatan Sudut ( rad/s) BAB III METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN