MESIN-MESIN FLUIDA TURBIN AIR
TURBIN AIR Turbin air mengubah energi kinetik dan potensial dari air menjadi tenaga mekanik. Energi kinetik dari air tergantung dari massa dan ketinggian air. Sementara energi potensial tergantung ng dari jumlah air dan ketinggian. Diklasifikasikan sebagai berikut : a. Jumlah air yang melimpah dan head tinggi b. Jumlah air yang sedikit dan head tinggi c. Jumlah air yang melimpah dan head rendah d. Jumlah air sedikit pada head rendah
KLASIFIKASI DARI TURBIN 1. Berdasarkan gerak air pada sudu yang bergerak a. Turbin Impul : Energi tekanan seluruhnya diubah menjadi energi kinetik, air menumbuk sudu pada tekanan atmosfer sehingga tidak ada perubahan tekaanan antara inlet dan outlet. Turbin ini juga disebut sebagai Velocity Turbine b. Turbin reaksi : Bekerja berdasarkan tekanan pada inlet dan outlet dari turbin pressure turbin energi kinetik dan tekanan memutar sudu turbin
. Berdasarkan nama penemu Pelton wheel, Turgo, Girard, Banki T. Impuls Francis, Kaplan, Thomson T. Reaksi 3. Berdasarkan Head dan jumlah air yang tersedia : High head ( >00m ) jumlah air sedikit contohnya : turbin impuls ( Pelton) Medium head ( 30-00m ), jumlah air sedang, contohnya : turbin reaksi (Francis) Low Head ( <30m ), jumlah air besar contohnya : turbin reaksi ( Kaplan, turbin propeller )
4. Berdasarkan posisi poros : Dibedakan menjadi dua yaitu mendatar (pelton) dan vertikal(kaplan, francis) 5. Berdasarkan arah aliran dalam runner : a. Radial flow : air yang mengalir dalam arah radial (inward / outward). b. Tangensial flow : air mengenai runner dalam arah tangensial contohnya turbin Pelton. c. Axial flow : air masuk dan keluar runner / poros turbin. d. Mixed flow : air masuk radial dan keluar aksial.
6. Kecepatan Spesifik : Kecepatan spesifik ialah dasar untuk menentukan besaran-besaran selanjutnya. Jadi untuk mendapatkan tinggi air jatuh yang maksimum, jumlah sudu roda turbin, perbandingan b/d ( lebar roda/diameter roda ), randemen yang diharapkan, kondisi kerja turbin. Kecepatan spesifik ini sangat penting untuk konstruktor, sebab jika kita mengetahui kecepatan spesifik maka secara garis besar dapat diketahui pula kondisi turbin secara keseluruhan Turbin air berdasarkan kecepatan spesifiknya : 1. 10 35 : Turbin Pelton (single jet) 10 50 : Turbin Pelton ( double jet). 50 300 : Turbin Francis 3. 300 1000 : Turbin Kaplan
TURBIN PELTON Turbin ini pertama kali ditemukan oleh insinyur dari Amerika yaitu Lester A. Pelton pada tahun 1880. turbin ini dioperasikan pada head sampai 1800 m, turbin ini relatif membutuhkan jumlah air lebih sedikit dan biasanya porosnya dalam posisi mendatar. Air mengalir dalam penstock ( pipa pesat ), sampai ujung bawah masuk nosel ( energi kinetic naik ), keluar mengenai sudu-sudu ( yang terpasang pada runner ). Pengaturan jumlah air dapat dengan regulator / governor (untuk instalasi yang besar) atau dengan tangan /manual (instalasi yang kecil)
Komponen Utama dari pelton 1. Nozzle, Energi tekanan dari air pada reservoir sewaktu melewati penstock sebagian dirubah menjadi energi kinetik dan energi kinetik ini makin lama meningkat oleh karena nozzle pada tekanan atmosfer pada casing. Ketika air menabrak buckets maka dihasilkan energi mekanik. Untuk turbin dengan kapasitas yang kecil menggunakan single jet. Dan untuk turbin yang memproduksi tenaga besar, jumlah jet harus lebih banyak.
Buckets. Buckets, buckets dari pelton wheel mempunyai bentuk double hemispherical cup.pancaran dari air yang datang mengenai bucket bagian tengah yang ada pemisahnya terbagi menjadi dua bagian dan setelah meluncur pada pemukaan bagian dalam bucket berubah 160 sampai 170 lalu meninggalkan bucket. Buckets ini terbuat dari cast iron (head rendah), Cast steel atau dari stainless steel (head tinggi). Permukaan bagian dalam di poles sedemikian rupa untuk menghindari gesekan yang besar.
3. Casing. Berfungsi untuk menghindari deburan air, serta untuk mengarahkan air ke tail race dan sebagai keamanan. 4. Rem Hidrolik. Untuk menghentikan turbin, walaupun pancaran air telah berhenti, runner tetap akan berputar untuk waktu yang lama. Untuk menghentikannya diperlukan rem nozzle yang kecil, dimana arah air dari rem ini berlawanan arah dengan putaran runner.
Kerja oleh Pelton Wheel. V = Kecepatan horizontal jet u = kecepatan dari bucket di inlet D = Diameter dari pitch circle V r &V r1 = Kecepatan relative pada inlet dan outlet V f1 = Kecepatan sekeliling aliran pada outlet Vw 1 = Kecepatan putaran pada outlet t Φ = Sudut dari bucket pada outlet dengan tangent U 1 = Kecepatan sekeliling dari outlet U 1 = u, karena inlet dan outlet bucket punya jarak yang sama dari pusat poros V1 = Kecepatan Abs. air pada outlet dan membentuk sudut β dengan wheel tangent
(1) Inlet velocity diagram Ketika air masuk secara tangensial karena itu pada diagram kecepatan ditunjukkan garis lurus seperti gambar diatas. θ = 0 dan β =0 V r =V u V w = V = gh Vf = 0 () Outlet velocity diagram Sewaktu air melewati permukaan melengkung dari bucket, Vr1 <<< Vr mengacu pada kerugian gesek dan oleh karena itu Vr1 = kvr, akan tetapi secara umum rugi gesek ini diabaikan. Vr1 = Vr Dan Vw1 = Vr1 cosφ -u1 Vw1 = Vr1 cos Φ u
(3) Kerja yang dilakukan Ketika Vwt ialah ve, maka kerja oleh Pelton wheel Tetapi u1 = u1 Jadi kerja = Vwu Vw 1u1 = + kg / sec g g Vw u ( Vr cosφ u) u + g g = V. u [( V u)cosφu] g + u = = g u V u + V g g V. ( V u) = [( ) ( u) cosφ] u u cosφ g u u g = ( V u)( 1+ cosφ)
(4) Eff. Hidrolik η = W. D./ sec K. E. darijet / sec η h = u g ( V u)( 1+ cosφ) V g = u ( V u)( 1+ cos Φ) V Untuk mencari kondisi maksimum ηh diturunkan terhadap u = nol dη ( d Vu u )( 1+ cosφ) = du du V ( V u)( 1+ cos Φ) V = 0 V = u = 0
(5) Effisiensi Maximum. = ( u u )( 1 + cos Φ ) u Φ 1 4u = ( 1+ cos Φ) Effisiensi maximum = 100% atau 1 ketika Φ =0, akan tetapi kenyataan tidak mungkin tercapai untuk mencapai Φ = 0. Effisiensi maximum berkisar 90% - 95%
Jumlah bucket dari Pelton Wheel Z = Jumlah Bucket R = Mean radius dari bucket γ = Sudut antara bucket d = Dia. dari jet Depth dari bucket = 1, d Ketika posisi bucket seperti gambar, bucket telah mencapai posisi P dan yang terdahulu ialah bucket 1 pada Q diatas P, bagian air mengenai bagian kanan bucket kemudian menumbuk bucket 1. ketika kecepatan dari jet mencapai kali kecepatan dari bucket, maka posisi P akan berubah ke S dan pada waktu yang sama bucket Q berubah ke posisi S
Mengacu pada ΔOPQ OP = OQ = Cos γ = 1 B + 1 R + R R + + 0,5d 0,6 d depth of bucket =R + 0,6 d dia of jet = R + 0,5 d.1 Dari persamaan 1 sudut dari γ dapat ditentukan dan jumlah dari bucket, 360 Z= γ Hubungan empiris untuk jumlah bucket D d Z = 0,5 + 15 dimana D d Z = ialah jet rasio D 5,4 d
Working Proporsion (1) kecepatan sekeliling dari wheel, 0,44 gh 0,46 gh u= to rasio u gh sebagai rasio kecepatan = 0,44 0,46 () Sudut bagian ujung dari bucket Φ =10 sampai 0 (3) Rasio D/d ialah jet rasio ( 11 sampai 18) (4) Lebar dari bucket = 3d sampai 5d (5) Kedalaman bucket = 1, d D (6) Jumlah dari bucket, Z = 0,5 + 15 d
Effisiensi dari Pelton Wheel (a) Effisiensi hidrolis V V g η H = H 1 ialah hidrolis input nosel. Jika CV = 1 maka H = V g dapat juga η H = W ( V V1 ) / 75 g WH 75 catatan : input turbin V V g 1 V u = g V u w w1 1 g
(b) effisiensi mekanik ηmech = kerja poros / kerja oleh wheel = S.H.P atau B.H.P / H.P dari wheel B. H. P = W ( V u V u w w1 1 ) g 75 (c) effisiensi keseluruhan ηo =ηh Xηmech
Tipe lain dari turbin impuls (a) Turbin Jonval Merupakan turbin dengan aliran aksial. Terdiri dari 1 buah horizontal ring moving blade. Air diarahkan oleh ring ini. Arah aliran air dikontrol oleh horizontal sluice. Turbin Jonval
(b) Turbin Girard Mempunyai tipe : (i) aksila flow (ii) radial flow. Digunakan untuk head 500 m dan mempunyai effisiensi keseluruhan 75%. Turbin ini mirip dengan turbin jonval. Turbin Girard (c) Turbin Turgo Dipergunakan untuk head 80 m dan kecepatan 000 r.p.m. Pada turbin tipe ini air disuplai ke runner melalui nosel. Turbin tipe ini mempunya runner dengan diameter kecil. Turbin Turgo
d) Turbin Banki Merupakan turbin dengan aliran radial. Seperti pada gambar air datang dari nosel N, kemudian menumbuk sudu A dan setelah melakukan kerja, kemudian menabrak sudu B, lalu meninggalkan turbin. Turbin ini mempunyai tingkat effisiensi 80 90 % Turbin Banki