BAB I PENGUJIAN TURBIN AIR FRANCIS 1.1 Pendahuluan 1.1.1 Tinjauan Umum Praktikan sangat membantu dalam mendapatkan gambaran yang nyata tentang alat/mesin yang telah dipelajari di bangku kuliah. Dengan demikian dalam praktikum turbin air, mahasiswa (praktikan) selain dapat melihat proses kerja yang sesungguhnya, mereka juga akan mendapatkan ingatan yang tidak mudah hilang tentang turbin air. Khususnya tipe francis dimana cara kerjanya merupakan salah satu hal yang harus dikuasai. Untuk itu dalam praktikum ini, praktikan diharapkan aktif dan menguasai terlebih dahulu dasar-dasar praktikum yang akan dilakukan. Peran praktikan juga sangat penting dalam hal ide atau saran baik berbentuk lisan maupun tulisan jika menemukan adanya keganjilan atau ketidaksempurnaan demi kemajuan bersama. 1.1.2 Tinjauan Percobaan 1. Memperoleh grafik yang menunjukkan hubungan antara daya yang dapat dibangkitkan turbin terhadap kecepatan putar turbin pada head konstan. 2. Memperoleh grafik yang menunjukkan hubungan antar efisiensi terhadap kecepatan putar turbin pada head konstan. 3. Mengetahui grafik hubungan efisiensi terhadap kecepatan putaran turbin pada variasi guide vane berbeda. 4. Mampu melakukan analisa hasil pengujian. 1.2 Tinjauan Pustaka 1.2.1Dasar Teori Turbin Air 1.2.1.1 Pengertian Turbin Air Turbin air adalah suatu mesin konversi energi yang berfungsi mengkonversikan atau mengubah bentuk energi potensial (head) yang dimiliki air ke bentuk energi mekanik pada poros turbin. Energi potensial yang tersimpan pada fluida yang diam pada ketinggian tertentu dapat menjadi energi kinetik pada waktu air masuk ke guide vane, sebagian dari energi jatuh atau tinggi jatuh (head) yang telah bekerja di dalam guide vane (GV) diubah menjadi kecepatan arus masuk (energi kinetik). Energi yang 1
berbentuk tersebut nantinya digunakan untuk memutar turbin dari turbin memutar poros yang dihubungkan ke generator. Gambar 1.1Instalasi turbin air Sumber: Dietzel (1996:17) 1.2.1.2 Klasifikasi Turbin Air dan Aplikasi Kerjanya 1. Turbin impuls Turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya merubah energi potensial air (yang terdiri dari energi potensial, energi tekanan dan energi kecepatan) yang tersedia menjadi energi mekanik yang memutar turbin. Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozle. Air keluar nozzle yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin.dan tekanannya pun tidak berubah saat melalui runner dan keluar dari runner (konstan). Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). akibatnya roda turbin akan berputar Macam macam turbin impuls : a. Turbin Pelton Turbin ini memiliki 2 bagian utama yaitu runner dan nozzle. Runner terdiri dari poros 1 tangki, piringan dan beberapa mangkuk turbin pelton terutama digunakan untuk memanfaatkan potensi hidro tinggi (>70 m ) dengan aliran kecil. 2
Gambar 1.2Turbin pelton Sumber: dixson S.L(2010:310) b. Turbin Michael Banki Turbin jenis ini sering disebut dengan turbin arus lintang (cross flow), karena fluida yaitu air menggerakkan sudu runner melewati pengarah sehingga seolah-olah terdapat fluida yang datang dari aliran yang berbeda. Turbin Michell-Banki terdiri dari runner, dan nozzle. Prinsip kerjanya yaitu air yang keluar dari nozzle ditumbukkan ke runner sehingga terjadi perubahan energi dari energi kinetik air menjadi energi mekanik pada poros runner. Turbin ini banyak digunakan pada head rendah hingga menengah untuk kapasitas hingga 5 m 3 /s. Keunggulan konstruksinya sederhana, putaran operasi cukup tinggi dan efisiensinya stabil pada perubahan beban hingga 40% dari beban maksimum. Gambar 1.4 Turbin Michael Banki Sumber: Anonymous 1 (2011) 3
c. Turbin air / Kincir air Pada kincir air, air ditumbuhkan ke mangkuk-mangkuk yang dipasang pada piringan motor (roda berputar) sehingga terjadi perubahan energi kinetik menjadi energi mekanik. Kincir air bekerja pada putaran rendah sehingga memerlukan pemercepat putaran dengan perbandingan putaran yang tinggi untuk mencapai putaran generator. Kincir air memiliki ciri konstruksi sederhana dan diameter besar. Pada penggunaannya kincir air banyak digunakan untuk head dan kapasitas kecil, karena diameter besar bekerja pada putaran rendah. Pemanfaatan energi air dalam skala kecil dapat berupa penerapan kincir air dan turbin. Dikenal ada tiga jenis kincir air berdasarkan sistem aliran airnya, yaitu : overshot, breast-shot, dan undershot. Pada kincir overshot, air melalui atas kincir dan kincir berada di bawah aliran air. Air memutar kincir dan air jatuh ke permukaan lebih rendah. Kincir bergerak searah jarum jam. Pada kincir breast-shot, kincir diletakkan sejajar dengan aliran air sehingga air mengalir melalui tengah-tengah kincir. Air memutar kincir berlawanan dengan arah jarum jam. Pada kincir under-shot, posisi kincir air diletakkan agak ke atas dan sedikit menyentuh air. Aliran air yang menyentuh kincir menggerakkan kincir sehingga berlawanan arah dengan jarum jam (a) (b) 4
(c) Gambar 1.5 (a) Kincir air overshot, (b) kincir air under-shot, (c) kincir air breast-shot Sumber: Anonymous 2 (2011) 2. Turbin Reaksi Turbin dimana proses ekspansi fluida kerjanya terjadi pada sudu tetap dan sudu geraknya. Gambar 1.6 Turbin reaksi Sumber:Anonymous 3 (2014) Macam macam turbin reaksi: a. Turbin Francis Turbin francis yaitu turbin yang dikelilingi dengan sudu pengarah dan semuanya terbenam ke dalam air. Turbin francis digunakan untuk pemanfaatan potensi menengah (dari beberapa puluh meter sampai 100 m). Turbin francis sudah bias dibuat dengan kecepatan putar yang tinggi. 5
Gambar 1.7 Turbin francis Sumber: Anonymous 4 (2014) b. Turbin Kaplan Turbin baling baling dikembangkan sedemikian rupa sehingga suatu turbin dapat berputar di dalam lahar panas. Selain itu sudu-sudu dapat diatur sesuai dengan kondisi operasi pada saat itu. Keuntungan memilih turbin koplan yaitu kecepatan putaran bisa dipilih lebih tinggi, ukurannya lebih kecil karena roda turbin bisa dihubungkan langsung dengan generator. Harganya murah bila dipakai pada saat pembangkit yang besar. Gambar 1.9Turbin kaplan Sumber: dixson S.L(2010:326) 6
1.2.2 Turbin Air Francis dan Prinsip Kerjanya 1.2.2.1 Bagian-bagian Turbin Air Francis Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian keluar. Turbin ini mempunyai 3 bagian utama yaitu runner, guide vane (sudu pengarah), dan rumah turbin (casing). a. Runner Merupakan bagian turbin francis yang dapat berputar, terdiri dari poros dan sudu turbin yang berfungsi mengubah energikinetik menjadi energi mekanik Gambar 1.11Runner Sumber:Laboratorium Mesin Fluida Teknik Mesin FT-UB b. Casing Merupakan saluran yang menyerupai rumah siput dengan bentuk penampang melintang lingkaran. Berfungsi menampung fluida yang terletak keluar guide vane dan memaksimalkan energi tekanan. 7
Gambar 1.12Casing Sumber:Laboratorium Mesin Fluida Teknik Mesin FT-UB c. Guide vane Berfungsi sebagai pengarah aliran air dari katup pengatur kapasitas dari casing ke runner dan berfungsi menaikkan kecepatan aliran air sebelum menuju runner. Gambar 1.13Guide vane Sumber:Laboratorium Mesin Fluida Teknik Mesin FT-UB d. Pipa Inlet casing. Merupakan bagian yang berfungsi untuk meneruskan air yang akan masuk ke Gambar 1.14 Pipa inlet Sumber:Laboratorium Mesin Fluida Teknik Mesin FT-UB 8
e. Draft Tube Merupakan bagian yang berfungsi untuk meneruskan air dari turbin ke saluran pembuangan dengan menggunakan tinggi jatuh air. Gambar 1.15Draft Tube Sumber:Laboratorium Mesin Fluida Teknik Mesin FT-UB 1.2.2.2 Prinsip Kerja Turbin air Francis Turbin francis bekerja dengan memakai proses tekanan lebih,air masuk ke roda jalan sebagai energi jatuh (head drop) yang menyimpang energi potensial, kemudian diubah menjadi energi kinetik dari sudu dalam maka kecepatan air melewati sudu diam menjadi lebih cepat sehingga bisa memutar sudu gerak. Dari putaran sudu gerak tersebut nantinya akan berubah energi kinetik tadi menjadi energi mekanik sehingga menghasilkan daya. Pada sisi ke luar roda jalan terdapat tekanan yang rendah (kurang dari 1 atm) dan kecepatan aliran yang tinggi. Sedangkan pada sisi isap kecepatannya akan berkurang sehingga tekanannya naik, maka air dapat dialirkan ke luar lewat saluran air bawah. Energi Kinetik adalah energi suatu benda karena bergerak dengan kecepatan V, contohnya air yang bergerak Ek = Energi Potensial adalah energi yang tersimpan pada benda karena kedudukannya, sebagai contoh, energi potensial air adalah energi yang dimiliki air karena ketinggiannya dari permukaan Ep = m.g.h 9
Energi mekanik adalah energi total yaitu penjumlahan antara energi kinetik dengan energi potensial Em = Ek + Ep 1.2.3 Teori dan Persamaan yang Mendukung Percobaan 1.2.3.1 Persamaan Bernoulli Persamaan Bernoulli bermula dari suatu persamaan energi fluida incompreesible dalam aliran steady yang menyatakan bahwa total yang perpartisipasi adalah tetap sepanjang satuann jarak. Persamaan Bernoulli bermula dari suatu persamaan energi fluida incompreesible dalam aliran steady yang menyatakan bahwa total yang perpartisipasi adalah tetap sepanjang satuan jarak. Pada aliran air dalam pipa diambil suatu selisih ketinggian 2 antara tinggi air atas dan air bawah maka menurur Bernoulli aliran tersebut yaitu : Energi potensial + Energi kinetik + Energi tekanan yang besarnya konstan m.g.h + P.V + ½.m.V 2 = konstan Persamaan energi spesifik : 10
Dimana : P = Tekanan (N/m 2 ) H = ketinggian (m) g = Percepatan gravitasi (m/s 2 ) = Kecepatan Aliran (m/s) =. g (kg/m 2.s 2 ) Syarat berlakunya hukum Bernoulli : 1. Alirannya Steady 2. Fluida Incompressible 3. Non Viscous 4. Aliran fluida searah dengan kecepatan Untuk hubungannya dengan turbin semakin tinggi (h) energi potensial yang dihasilkan semakin besar sehingga akan berpengaruh pada energi kinetik dalam menubruk sistem. Dengan bertambahnya energi kinetik yang menabrak sudu maka putaran yang dihasilkan akan semakin besar. 1.2.3.2 Persamaan Kontinuitas Persamaan ini adalah suatu ungkapan matematik mengenai hal-hal jumlah netto massa yang mengalir dalam permukaan terbatas sama dengan pertambahan masa dalam permukaan itu volume fluida masuk dalam sistem adalah sama dengan volume yang keluar sistem m 1 m 2 ρ 1. v 1.A 1 = ρ 2. v 2. A 2 Keterangan: m = massa jenis ( ) v = kecepatan ( ) A = Luas penampang (m 2 ) 11
Gambar 1.22: Persamaan Kontuinitas Sumber: Anonymous 18, 2013 1.2.3.3 Segitiga Kecepatan Segitiga kecepatan adalah dasar kinematika dari aliran fluida yang menumbuk sudu turbin. Dengan pemahaman segitiga kecepatan akan membantu dalam pemahaman proses konversi energi pada turbin air. Gambar 1.18 Segitiga kecepatan turbin reaksi Sumber: Anonymous 1 (2011) Pada turbin reaksi, guide vane mengarahkan aliran air masuk ke sudu dengan sudut α 2, dengan kecepatan absolut V 2. Setelah menjumlahkan vektor dengan kecepatan tangensial di ujung sudu u 2, u 2 =rω, maka sudut luar sudu harus diatur sebesar β 2 untuk mengakomodasi kecepatan relatif air menyinggung permukaan sudu w 2. Profil sudu tersebut menyebabkan arah dan kecepatan air menyinggung sudu pada sisi outlet berubah w1, dankarena kecepatan tangensial sudu pada sisi outlet lebih kecil dari sisi inlet u 2 > u 1 akibat r 2 > r 1. Maka jika dijumlahkan vektor w 1 dan u 1 maka akan didapatkan nilai kecepatan absolut air di sisi outlet v 1 yang lebih kecil dari sisi inlet. Artinya sebagian energi kinetik dari air dirubah menjadi energi kinetik sudu saat air menyinggung permukaan sudu. 12
1.2.4 Rumus Perhitungan 1. Head Drop Turbin (H) H H,( 2 H1 m) Dimana : H 1 = Head keluar turbin H 2 = Head masuk turbin 2. Debit yang Melalui Orifice Plate (Q) 3 m Q 3.521 P,( ) jam Dimana P (mmhg) 3. Torsi (T) T = F.L Dimana: F = Gaya pengereman (N) L = Panjang lengan gaya (m) = 0.248 m 4. Brake Horse Power (BHP) ( ) Dimana: n = Kecepatan putar turbin (rpm) 5. Water Horse Power (WHP) ( ) Dimana: = water g g = Percepatan gravitasi (m/s 2 ) 6. Efisiensi ( ) 13
1.3 Pelaksanaan Percobaan 1.3.1 Variabel yang Diamati 1.3.1.1 Variabel Bebas Variabel bebas adalah variabel yang mempengaruhi variabel terikat, yang bisa ditentukan dengan keperluan yang diinginkan. Dalam praktikum ini yang termasuk variabel bebas adalah kecepatan putaran. 1.3.1.2 Variabel Terikat Variabel terikat adalah variabel yang hasilnya dipengaruhi oleh variabel bebas. Dalam praktikum ini yang termasuk variabel terikat adalah tekanan orifice plate dan gaya pengereman. 1.3.1.3 Variabel Kontrol Variabel kontrol adalah variabel yang hasilnya tidak dipengaruhi oleh variabel terikat, yang tidak bisa ditentukan dengan keperluan yang diinginkan. Dalam hal ini yang termasuk variabel kontrol adalah bukaan guide vane dan head drop. 1.3.2 Spesifikasi Peralatan yang digunakan a. Pompa air tipe sentrifugal dengan motor listrik AC sebagai penggerak dengan spesifikasi sebagai berikut: Model : C 160 MAH Serial Number : BS 29821 Output : 11 kw Revolution / Minute : 2900 rpm Voltage : 380 volt Arus : 234 Ampere Frekuensi : 50 Hz Rating : MCR Phase : 3 14
Inc.Cluse : F b. Temperatur : 80 o C c. Pompa air type sentrifugal dan motor listrik sebagai penggerak. d. Pipa penyalur air yang menghubungkan pompa dan turbin lengkap dengan orfice plat beserta pengukur tekanannya dan stop valve. e. Brake Torque Force Spring Balance neraca pegas. f. Bak penampung air dan v-notch dan pengukur tinggi permukaan g. Pipa penyalur air yang menghubungkan bak penampung dengan pompa h. Hand digital tachometer. Tachometer untuk mengukur putaran poros turbin. 1.3.3 Instalasi Alat Percobaan dan Fungsi Bagian-Bagiannya Berikut gambar instalasi alat dan bagian-bagiannya : Gambar 1.19 Skema instalasi turbin francis Sumber: Buku Petunjuk Praktikum Mesin-Mesin Fluida (2014) Keterangan gambar : 1. Bak Penampung Berfungsi untuk menampung air yang akan dialirkan menuju turbin maupun keluar turbin. 15
2. Pompa Sentrifugal Berfungsi untuk memindahkan atau mengalirkan air dari bak penampung menuju turbin. 3. Katup Berfungsi untuk mengatur head drop sesuai kehendak. 4. OrificeValve Digunakan untuk mengetahui tekanan dan debit air yang mengalir melewati orifice valve. 5. Manometer Berfungsi untuk mengukur beda tekanan. 6. Turbin Air Francis Digunakan untuk mengubah energi fluida kerja menjadi energi mekanik. 7. Dinamometer Berfungsi untuk mengukur gaya. 8. Pressure Gauge Inlet Berfungsi untuk mengukur tekanan masuk 9. Pressure Gauge Outlet Berfungsi untuk mengukur tekanan keluar. 10. Stroboscop Berfungsi untuk menghitung banyak putaran. 1.3.4 Langkah Percobaan 1. Pastikan semua instrumen pengukuran menunjukkan posisi 0 (nol), dan katup discharge dalam keadaan tertutup penuh. 2. Atur bukaan guide vane sesuai dengan yang dikehendaki. 3. Hidupkan motor listrik penggerak pompa kemudian buka katup discharge secara perlahan sampai pada head drop yang dikehendaki. 4. Pada head drop yang dikehendaki, catat besarnya putaran poros sebagai putaran maksimumnya, kemudian catat data dari semua instrumen pengukuran sebagai data pertama. 5. Kurangi putaran poros sebesar 10% dari putaran maksimumnya dengan cara menambah beban pengereman. Ambil data-data yang diperlukan antara lain: 16
- Beda ketinggian kolom Hg pada Orificemeter - Gaya pengereman (F) 6. Ulangi langkah no.5 sampai poros berhenti. 7. Setelah semua pengambilan data selesai dilakukan, atur kembali beban pengereman seperti kondisi awal. 8. Tutup katup discharge dan matikan motor listrik penggerak pompa. 9. Percobaan selesai. 17
1.4 Pengolahan Data 1.4.1 Data Hasil Percobaan (Terlampir) 1.4.2 Pengolahan Data 1.4.2.1 Contoh Perhitungan 1. Head Drop Turbin (H) 2. Debit yang Melalui Orifice Plate (Q) 3. Torsi (T) 18
4. Brake Horse Power (BHP) 5. Brake Horse Power (BHP) 6. Water Horse Power (WHP) 19
7. Efisiensi ( ) 20
21