TURBIN AIR A. TURBIN IMPULS. Roda Pelton

Transkripsi

1 6 TURBIN AIR A. TURBIN IMPULS Turbin impuls adalah turbin dimana bererak karena adanya impuls dari air. Pada turbin impuls, air dari sebuah bendunan dialirkan melalui pipa, dan kemudian melewati mekanisme penarah dan akhirnya melewati nosel. Pada proses tersebut eneri yan tersedia dikonversikan ke eneri kinetik, denan melewatkannya pada nosel, yan dekat sekali denan runner. Air memasuki roda yan bererak dalam bentuk semburan yan menumbuk mankok, yan terpasan pada linkaran luar roda turbin. Semburan air menumbuk mankok denan kecepatan tini, dan setelah menalir pada sudu (vane), keluar denan kecepatan rendah. Tekanan air pada sisi masuk dan keluar adalah tekanan atmosfir. Contoh turbin impuls yan palin umum adalah Roda Pelton yan akan dibicarakan berikut ini. Roda Pelton Turbin/Roda Pelton adalah turbin impuls yan diunakan untuk tekanan head yan tini dari air. Komponen-komponen utamanya adalah : 1. Nosel.. Runner dan mankok. 3. Semburan penerem. Nosel Adalah mekanisme penarah linkaran, yan menarahkan air supaya menalir ke arah yan diininkan, dan jua untuk menatur aliran air. Air ini dalam bentuk semburan akan menumbuk mankok (bucket). Jarum konis atau tombak (spear) bekerja di dalam nosel dalam arah aksial. Tujuan utama jarum ini adalah untuk menatur jumlah air yan menalir pada nosel seperti yan terlihat pada ambar 1.

2 100 Mesin Konversi Eneri Gambar 1. Komponen-komponen Roda Pelton Jika jarum didoron ke depan, akan menurani luas semburan. Akibatnya, jumlah air yan menalir pada semburan jua akan berkuran. Demikian jua, jika jarum bererak ke belakan akan memperbesar jumlah air ke semburan. Nosel dibuat sedemikian dekat denan mankok, untuk meminimalkan keruian karena anin. Runner dan Mankok Runner pada roda Pelton pada prinsipnya terdiri dari prinan berbentuk linkaran yan dipasan pada poros horisontal. Pada linkaran luar runner dipasan mankok secara merata. Gambar runner bisa dilihat pada ambar. Permukaan mankok dibuat sanat halus. Untuk head rendah, mankok dibuat dari besi tuan, Untuk head tini, mankok dibuat dari perunu, baja tahan karat atau paduan lainnya. Jika air secara kimia tidak murni, mankok dibuat dari paduan khusus. Mankok umumnya dibaut ke runner, tetapi kadan-kadan mankok dan pirinan dibuat dalam bentuk tunal Rumah Turbin (casin) Rumah roda Pelton tidak mempunyai funsi hidrolik. Tetapi diperlukan untuk melinduni runner dari kecelakaan, dan jua menceah cipratan air serta menarahkan air ke pembuanan.

3 Turbin Air 101 Semburan Penerem Gambar. Runner roda Pelton. Ketika turbin inin dihentikan, nosel ditutup. Namun runner tidak lansun berhenti melainkan akan berputar beberapa waktu karena penaruh kelembaman. Supaya runner berhenti dalam waktu sesinkatnya, nosel kecil dipasan sedemikian sehina akan menyemburkan air pada sisi belakan mankok. Semburan ini berfunsi sebaai penerem yan akan menurani kecepatan runner. Kerja Pada Turbin Impuls Semburan air yan keluar dari nosel, menabrak mankok pada baian pemecahnya (splitter). Pemecah kemudian membai aliran menjadi dua baian, Satu semburan akan menalir dipermukaan dalam baian sudu pertama dan keluar pada sisi ekstrimnya. Baian yan lain akan menalir di baian sudu yan kedua dan keluar pada sisi ekstrim sudu tersebut seperti terlihat pada ambar 3.

4 10 Mesin Konversi Eneri Gambar 3. Seitia Kecepatan. Dari ambar terlihat, bahwa titik tenah mankok, dimana semburan menabrak pemecah dan terbai dua, terdiri dari satu sisi masuk dan dua sisi keluar sehina semburan terbai menjadi dua. Seitia Kecepatan Pertama-tama ambarlah seitia kecepatan pada pemecah (yan hanya berupa aris lurus) dan pada salah satu sisi ujun keluar seperti diperlihatkan ambar 3, dimana: V kecepatan absolut air masuk V r kecepatan relatif air dan mankok pada sisi masuk V f Kecepatan aliran pada sisi masuk V w kecepatan pusar pada sisi masuk v kecepatan tanensial sudu V 1, V r1, V f1 notasi yan sama untuk sisi keluar D diameter roda d diameter nosel N putaran roda, rpm φ sudut ujun sudu pada sisi keluar H head total air Karena seitia kecepatan pada sisi masuk berupa aris lurus, sehina kecepatan pusar pada sisi masuk:

5 Turbin Air 103 V w V dan V r V v Roda pelton mempunyai aliran aksial, sehina : v v 1 atau V r1 V r V v Dari seitia sisi keluar, kita dapatkan kecepatan pusar: V w1 V r1 cos φ-v (V - v) cos φ-v Gaya per k air: 1 ( V w V w1 ) Pada kondisi ini V w1 adalah neatif karena arahnya berlawanan denan V w. Karena itu aya per k air menjadi: 1 ( V w + V w1 ) Dan kerja yan dilakukan per k air: 1 ( Vwv + V v Vwv + Vwv + v { V v ( V + V cosφ vcosφ v) v w ( V [ V (1 + Efisiensi hidrolik: Vw 1v r1 w1 1 ) cosφ v) v + [( V v)cosφ v]} cosφ ) v(1 + v( V v)(1 + cosφ ) cosφ )]

6 104 Mesin Konversi Eneri η h v( V v)(1 + cosφ ) V v( V v)(1 + V cosφ ) Untuk efisiensi maksimum bisa dicari denan mendiferensialkan persamaan diatas terhadap v dan menyamakannya denan nol, maka didapatkan efisiensi maksimum didapatkan pada kondisi: v V Kerja maksimum/k air menjadi: V (1 + 4 cosφ ) Efisiensi hidrolik maksimum: η hmax V (1 + cosφ ) 4 V (1 + cosφ ) Catatan : 1. Perlu dicatat bahwa efisiensi maksimum pada hara cos φ 1 yaitu φ 180 o. Tetapi pada kondisi nyata, semburan dibelokkan hanya pada sudut 160 o hina 165 o. Sebab, jika semburan dibuat pada sudut 180 o, air keluar dari satu mankok akan menhasilkan impak pada mankok didepannya.. Pada kondisi nyata, efisiensi maksimum terjadi jika kecepatan roda 0,46 kali kecepatan semburan. Daya Yan Dihasilkan Turbin Impuls wqh P hp 75

7 Turbin Air 105 Dalam SI: P 9,81 QH kw Dimana : H head air Efisiensi Keseluruhan η o P wqh 75 Contoh soal Sebuah roda Pelton menhasilkan daya 000 kw pada head 100 meter dan efisiensi keseluruhan 85%. Carilah diameter nosel, jika koefisien kecepatan nosel 0,98. Jawab Diketahui: P 000 kw H 100 m η o 85% 0,85 C v 0,98 Kecepatan jet: V C v H 0,98 9, ,3 m/s Efisiensi keseluruhan, η o : 0,85 P wqh 000 9,81.Q.100,04 Q Q,04 / 0,85,4 m 3 /s Debit total harus sama denan debit yan melalui jet, maka: QV d 4

8 106 Mesin Konversi Eneri,443,3 4 d 34,1d Contoh soal d,4/34,1 0,0704 atau d 0,65 m 65 mm Sebuah roda Pelton bekerja pada head 500 m, menhasilkan daya kw pada 430 rpm. Jika efisiensi roda 85%, carilah (a) Debit turbin, (b) diameter roda, dan (c) diameter nozel. Asumsikan data-data yan diperlukan. Jawab Diketahui: H 500 m; P kw; N 430 rpm dan η o 85% 0,85 (a) Debit turbin, o P wqh ,81 Q 500,65 Q Q,65 / 0,85 3,1 m 3 /s (b) Diameter roda, Diasumsikan koefisien kecepatan, C v 0,98 dan kecepatan tanensial roda, v 0,46V (V adalah kecepatan jet). V C v H0,98 9, ,1 m/s v 0,46 V 0,46 x 97,1 44,7 m/s Kecepatan tanensial roda (v): (c) diameter nosel: v DN 60 D 430,5 D 60 D 44,7 /,5,0 m QV 4 d 3,197,1 4 d 76,3 d

9 Turbin Air 107 d 3,1 / 76,3 0,041 atau d 0, m 00 mm B. TURBIN REAKSI Komponen-komponen Utama 1. Rumah turbin spiral.. Mekanisme penarah. 3. Runner turbin 4. Draft tube. Rumah Turbin Spiral Air dari saluran pipa didistribusikan di sekelilin cincin rumah turbin. Rumah turbin didesain sedemikian sehina luas penampan melintannya berkuran secara seraam. Luas penampan melintannya maksimum pada sisi masuk dan minimum pada ujun seperti diperlihatkan ambar 4. Karenanya bentuk rumah turbin seperti spiral sehina disebut rumah turbin spiral atau rumah scroll. Gambar 4. Rumah turbin reaksi. Material rumah turbin terantun pada head air : - Konkrit : hina 30 m - Pelat baja rol dilas : hina 100 m

10 108 Mesin Konversi Eneri - Baja cor : lebih dari 100 m Mekanisme Penarah Sudu penarah (uide vane) terpasan tetap diantara dua cincin dalam bentuk roda. Roda ini dipasan tetap pada rumah turbin spiral. Sudu penarah didesain untuk: 1. Supaya air masuk ke runner tanpa kejut.. Supaya air menalir tanpa membentuk arus Eddy. 3. Supaya sejumlah air bisa memasuki turbin. Sudu penarah bisa dibuka dan ditutup denan memutar poros penatur, sehina jumlah air bisa diatur sesuai keperluan. Poros penatur dioperasikan denan menunakan overnor, yan funsinya menatur turbin (yaitu menjaa kecepatan turbin konstan pada beban yan bervariasi). Runner Turbin Runner terdiri dari sudu yan terpasan tetap pada poros atau cincin. Sudu didesain supaya air masuk dan meninalkan turbin tanpa kejut. Gambar 5. Runner Turbin Reaksi. Runner terpasan pada poros. Jika porosnya vertikal, disebut turbin vertikal, dan jika poros horisontal maka disebut turbin horisontal. Untuk head rendah, runner bisa dibuat dari besi tuan, tetapi untuk head tini, runner dibuat dari baja atau paduan. Jika air secara kimia tidak murni, runner dibuat dari paduan spesial.

11 Turbin Air 109 Draft Tube Air setelah melewati runner, menalir turun melalui pipa yan disebut draft tube. Draft tube mempunyai funsi antara lain: 1. Meninkatkan head air sebesar tini runner dari permukaan air.. Meninkatkan efisiensi turbin. Perbedaan Antara Turbin Impuls Dan Turbin Reaksi Berikut ini beberapa hal tentan perbandinan antara turbin impuls dan turbin reaksi. No. Turbin Impuls Turbin Reaksi Eneri air yan tersedia pertamatama dirubah ke eneri kinetik. Air menalir melalui nosel dan menumbuk sudu bererak yan terpasan tetap pada sisi linkaran luar roda. Air menumbuk mankok denan eneri kinetik. Tekanan air yan menalir tetap, dan sama denan tekanan atmosfir. Tidaklah terlalu pentin roda berputar penuh. Lebih jauh, harus ada akses bebas udara antara sudu dan roda. Air boleh menalir dikeseluruhan atau hanya disebaian atau di keseluruhan linkaran roda. Memunkinkan menatrur aliran tanpa adanya keruian. Kerja yan dilakukan hanya oleh perubahan eneri kinetik semburan. Eneri air yan tersedia tidak dirubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Air diarahkan oleh sudu penarah untuk menalir pada sudu bererak. Air meluncur pada sudu bererak denan eneri tekanan. Tekanan air berubah setelah melalui sudu. Adalah pentin roda selalu berputar penuh, dan penuh denanair. Air mesti menalir di keseluruhan roda. Tidak munkin menatur aliran tanpa adanya keruian. Kerja yan dilakukan sebaian karena perubahan head kecepatan, tetapi hampir sebaian besar karena perubahan head tekanan.

12 110 Mesin Konversi Eneri Klasifikasi Turbin Reaksi Turbin reaksi bisa diklasifikasikan kedalam tia jenis, terantun pada arah aliran air melewati roda: 1. Turbin aliran radial.. Turbin aliran aksial. 3. Turbin aliran campuran. Turbin Aliran Radial Pada turbin ini, aliran air adalah radial (yaitu sepanjan jari-jari roda). Turbin aliran radial lebih jauh bisa dibai atas dua kelas: 1. Turbin aliran ke dalam (inward) : Pada turbin ini, air memasuki roda pada linkaran luar dan menalir ke dalam (yaitu menuju pusat roda).. Turbin aliran keluar (outward) : Pada turbin ini, air masuk pada pusat roda, dan kemudian menalir ke arah luar (yaitu menuju linkaran luar roda). Turbin Aliran Aksial Pada turbin ini, air menalir paralel terhadap sumbu roda. Turbin ini disebut jua turbin aliran paralel. Turbin Aliran Campuran Pada turbin ini, sebaian aliran adalah radial dan sebaian lainnya adalah aksial. Turbin Reaksi Aliran Ke Dalam Gambar 6. Turbin reaksi aliran ke dalam.

13 Turbin Air 111 Turbin reaksi aliran ke dalam (inward), adalah turbin reaksi dimana air memasuki roda pada baian linkaran luar dan menalir menuju kedalam melalui sudu (yaitu menuju pusat roda) seperti yan ditunjukkan oleh ambar 6. Turbin reaksi ini terdiri dari sudu penarah tetap, yan menarahkan air ke roda bererak denan sudut yan benar. Air ketika menalir pada sudu/vane, menhasilkan aya ke roda. Gaya ini menyebabkan roda berputar. Perlu dicatat bahwa ketika beban turbin turun, akan menyebabkan poros akan berputar lebih cepat. Gaya sentrifual akan meninkat karena putaran yan lebih tini, dan akan menurunkan jumlah air yan menalir pada sudu, sehina kecepatan air pada sisi masuk jua menurun. Pada akhirnya daya turbin akan berkuran. Ini adalah keuntunan turbin reaksi aliran inward, dimana akan menatur sendiri sesuai denan beban yan diperlukan. Efisiensi palin tini diperoleh ketika kecepatan air keluar sekecil munkin. Gambar 7. Seitia kecepatan untuk turbin reaksi aliran ke dalam. Gambar 7 menambarkan seitia kecepatan air pada sisi masuk dan keluar dimana: D diameter luar roda N jumlah putaran roda per menit V Kecepatan absolut uap memasuki sudu

14 11 Mesin Konversi Eneri v kecepatan tanensial roda pada sisi masuk D N 60 m/s V r Kecepatan relatif air terhadap roda pada sisi masuk V f Kecepatan aliran memasuki sudu bererak V w Kecepatan pusar pada sisi masuk sudu bererak α Sudut air memasuki roda (disebut jua sudut sudu penarah) β sudut air meninalkan roda θ Sudut masuk sudu φ Sudut sudu pada sisi keluar V 1, D 1, v 1, V r1, V f1 Besaran yan sama untuk sisi keluar sudu. H head total air W berat air yan memasuki roda, k/s Dari seitia kecepatan pada sisi masuk, diperoleh: V w V cos α Dan V f V sin α Dan dari seitia kecepatan sisi keluar diperoleh: V w1 V 1 cos α Dan V f1 V 1 sin α Gaya per k air: 1 ( V w + V w1 ) dalam hal ini V w1 adalah neatif Kerja per k air:

15 Turbin Air ( Vw. v V w1. v ) 1 Vw. v V v w1 1 Catatan : 1. Jika tidak ada keruian eneri maka: Vw. v Vw1. v H v1. Jika pembuanan air radial maka: β 90 o ; V w1 0 dan V 1 V f1 kerja yan dilakukan per k air : dan : V w.v Vw. v H v1 H V f 1 3. Jika sudu adalah radial pada sisi masuk, sisi keluar atau keduaduanya, kemudian kecepatan pusar pada ujun dusu adalah nol. Contoh soal Sebuah turbin reaksi aliran ke dalam, mempunyai diameter eksternal sebesar 1,5 meter dan bekerja pada 400 rpm. Kecepatan aliran pada sisi masuk adalah 10 m/s. Jika sudut sudu penarah 15 0, carilah (a) kecepatan absolut air, (b) kecepatan pusar pada sisi masuk, (c) sudut sudu sisi masuk runner, dan (d) kecepatan relatif pada sisi masuk. Jawab Diketahui: D 1,5 m; N 400 rpm; V f 10 m/s; dan α 15 0 (a) Kecepatan absolut air:

16 114 Mesin Konversi Eneri Dari seitia kecepatan, diperoleh kecepatan absolut air: V f 10 V 0 38,64 m/s sin 15 0,588 (b) kecepatan pusar pada sisi masuk: Dari seitia kecepatan, diperoleh kecepatan pusar sisi masuk: V w V cos ,64 x 0, ,3 m/s (c) Sudut sudu runner sisi masuk: v DN 60 x 1,5 x ,4 m/s 60 tan V f V w v 10 1,695 atau θ 59,50 37,3 31,4 (d) Kecepatan relatif pada sisi masuk: Dari seitia kecepatan, bisa dicari kecepatan relatif pada sisi masuk: V f 10 V r 0 11,61 m/s sin 59,5 0,8616 Contoh soal Sebuah turbin reaksi aliran ke dalam mendapat suplai air denan laju 600 lt/s denan kecepatan aliran 6 m/s. Kecepatan kelilin dan kecepatan pusar pada sisi masuk masin-masin adalah 4 m/s dan 18 m/s. Diasumsikan sisi keluar aliran adalah radial, dan kecepatan aliran konstan, carilah: (1) sudut sudu sisi masuk

17 Turbin Air 115 () head air pada turbin Jawab Diketahui: Q 600 lt/s 0,6 m 3 /s; V f 6 m/s; v 4 m/s; V w 18 m/s dan V f1 V f (1) Sudut sudu sisi masuk: tan V f v V w , θ 45 0 atau θ () Head air pada turbin: V w.v H V ,81 H V f1 44,0H V f H 6 H 1,8 9,81 H ,8 45,8 m

18 116 Mesin Konversi Eneri Turbin Reaksi Aliran Ke Luar Turbin reaksi aliran keluar adalah turbin reaksi dimana air masuk di tenah roda dan kemudian menalir ke arah luar melalui sudu (ambar 8). Gambar 8. Turbin reaksi aliran ke luar. Turbin reaksi aliran ke luar terdiri dari sudu penarah tetap, yan menarahkan air ke roda berputar denan sudut tertentu tanpa menimbulkan kejut. Air ketika menelindin pada sudu akan menhasilkan aya pada roda sehina membuat roda berputar. Perbedaan antara turbin aliran ke dalam dan aliran ke luar adalah : pada aliran ke dalam, roda yan berputar berada di dalam sudu penarah tetap, sedankan pada turbin aliran ke luar, roda berada di luar sudu penarah tetap. Perlu dicatat bahwa ketika beban turbin turun, akan menyebabkan poros akan berputar lebih cepat. Gaya sentrifual akan meninkat karena putaran yan lebih tini, dan akan menaikkan jumlah air yan menalir pada sudu, sehina roda akan berputar makin cepat dan makin cepat. Ini adalah keruian yan dipunyai oleh rubin reaksi aliran keluar. Karena itu turbin ini harus diatur denan menunakan overnor turbin. Semua notasi pada turbin aliran keluar sama denan turbin reaksi aliran ke dalam. Diameter dalam roda dilambankan denan D (diameter pada sisi masuk) dan diameter luar dinyatakan denan D 1 (diameter pada sisi ke luar). Efisiensi atau daya yan dihasilkan turbin bisa dicari denan menambar seitia kecepatan sisi masuk dan sisi keluar seperti yan ditunjukkan oleh ambar 9.