BAB I 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 dikonersikan 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. Semburan air menumbuk mankok denan kecepatan tini, dan setelah menalir pada sudu (ane, 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 :. 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.
Gambar. 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. Asyari D. Yunus - Mesin Konersi Eneri Teknik Mesin Uniersitas Darma Persada, Jakarta 87
Gambar. Runner roda Pelton. Semburan Penerem 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. Asyari D. Yunus - Mesin Konersi Eneri Teknik Mesin Uniersitas Darma Persada, Jakarta 88
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. Pertama-tama ambarlah seitia kecepatan pada pemecah (yan hanya berupa aris lurus dan pada salah satu sisi ujun keluar seperti diperlihatkan ambar 3, dimana: kecepatan absolut air masuk r kecepatan relatif air dan mankok pada sisi masuk f Kecepatan aliran pada sisi masuk w kecepatan pusar pada sisi masuk kecepatan tanensial sudu, r, f notasi yan sama untuk sisi keluar D diameter roda d diameter nosel N putaran roda, rpm 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: w dan r Roda pelton mempunyai aliran aksial, sehina : atau r r Asyari D. Yunus - Mesin Konersi Eneri Teknik Mesin Uniersitas Darma Persada, Jakarta 89
Dari seitia sisi keluar, kita dapatkan kecepatan pusar: w r cos - ( - cos - Gaya per k air: ( w w Pada kondisi ini w adalah neatif karena arahnya berlawanan denan w. Karena itu aya per k air menjadi: ( w w Dan kerja yan dilakukan per k air: w r w w w w w cos ( ( ] cos ( cos ( [ cos cos ( ]} cos [( { cos ( ( Efisiensi hidrolik: cos ( ( cos ( ( h η Asyari D. Yunus - Mesin Konersi Eneri Teknik Mesin Uniersitas Darma Persada, Jakarta 90
Untuk efisiensi maksimum bisa dicari denan mendiferensialkan persamaan diatas terhadap dan menyamakannya denan nol, maka didapatkan efisiensi maksimum didapatkan pada kondisi: Kerja maksimum/k air menjadi: ( cos 4 Efisiensi hidrolik maksimum: η h max ( cos 4 ( cos Catatan :. Perlu dicatat bahwa efisiensi maksimum pada hara cos yaitu 80 o. Tetapi pada kondisi nyata, semburan dibelokkan hanya pada sudut 60 o hina 65 o. Sebab, jika semburan dibuat pada sudut 80 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 Dalam SI: wqh P hp 75 P 9,8 QH kw Dimana : H head air Efisiensi Keseluruhan η o P wqh 75 Asyari D. Yunus - Mesin Konersi Eneri Teknik Mesin Uniersitas Darma Persada, Jakarta 9
Contoh soal.. Sebuah roda Pelton menhasilkan daya 000 kw pada head 00 meter dan efisiensi Jawab keseluruhan 85%. Carilah diameter nosel, jika koefisien kecepatan nosel 0,98. Diketahui: P 000 kw H 00 m η o 85% 0,85 C 0,98 Kecepatan jet: C H0,98 X 9,8 X 0043,3 m/s Efisiensi keseluruhan, η o : 0,85 P wqh 000 9,8.Q.00,04 Q Q,04 / 0,85,4 m 3 /s Debit total harus sama denan debit yan melalui jet, maka: Q X 4 X d,443,3 X 4 X d 34, d d,4/34, 0,0704 atau d 0,65 m 65 mm. Sebuah roda Pelton bekerja pada head 500 m, menhasilkan daya 3.000 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 3.000 kw; N 430 rpm dan η o 85% 0,85 (a Debit turbin, o P wqh 3.000 9,8 X Q X 500,65 Q Q,65 / 0,85 3, m 3 /s (b Diameter roda, Diasumsikan koefisien kecepatan, C 0,98 dan kecepatan tanensial roda, 0,46 ( adalah kecepatan jet. C H0,98 x 9,8 x50097, m/s 0,46 0,46 x 97, 44,7 m/s Asyari D. Yunus - Mesin Konersi Eneri Teknik Mesin Uniersitas Darma Persada, Jakarta 9
Kecepatan tanensial roda (: DN 60 D x 430,5 D 60 D 44,7 /,5,0 m (c diameter nosel: Q x 4 x d 3,97, x 4 x d 76,3 d d 3, / 76,3 0,04 atau d 0, m 00 mm B. TURBIN REAKSI Komponen-komponen Utama. 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. Asyari D. Yunus - Mesin Konersi Eneri Teknik Mesin Uniersitas Darma Persada, Jakarta 93
Material rumah turbin terantun pada head air : - Konkrit : Hina 30 m - Pelat baja rol dilas : hina 00 m - Baja cor : Lebih dari 00 m Mekanisme Penarah Sudu penarah (uide ane terpasan tetap diantara dua cincin dalam bentuk roda. Roda ini dipasan tetap pada rumah turbin spiral. Sudu penarah didesain untuk:. 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 oernor, yan funsinya menatur turbin (yaitu menjaa kecepatan turbin konstan pada beban yan berariasi. 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 ertikal, disebut turbin ertikal, dan jika poros horisontal maka disebut turbin horisontal. Untuk head rendah, runner bisa Asyari D. Yunus - Mesin Konersi Eneri Teknik Mesin Uniersitas Darma Persada, Jakarta 94
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. Draft Tube Air setelah melewati runner, menalir turun melalui pipa yan disebut draft tube. Draft tube mempunyai funsi antara lain:. 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.. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 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. Asyari D. Yunus - Mesin Konersi Eneri Teknik Mesin Uniersitas Darma Persada, Jakarta 95
Klasifikasi Turbin Reaksi Turbin reaksi bisa diklasifikasikan kedalam tia jenis, terantun pada arah aliran air melewati roda:. 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:. 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 trubin 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. Asyari D. Yunus - Mesin Konersi Eneri Teknik Mesin Uniersitas Darma Persada, Jakarta 96
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/ane, 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 Kecepatan absolut uap memasuki sudu kecepatan tanensial roda pada sisi masuk D N 60 Asyari D. Yunus - Mesin Konersi Eneri Teknik Mesin Uniersitas Darma Persada, Jakarta 97
r Kecepatan relatif air terhadap roda pada sisi masuk f Kecepatan aliran memasuki sudu bererak 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 Sudut sudu pada sisi keluar, D,, r, f 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: w cos α Dan f sin α Dan dari seitia kecepatan sisi keluar diperoleh: w cos α Dan f sin α Gaya per k air: ( w w dalam hal ini w adalah neatif Kerja per k air: ( w. w w. w. Catatan :. Jika tidak ada keruian eneri maka: w. w. H. Jika pembuanan air radial maka: β 90 o ; w 0 dan f kerja yan dilakukan per k air : Asyari D. Yunus - Mesin Konersi Eneri Teknik Mesin Uniersitas Darma Persada, Jakarta 98
w. dan :. w H f H 3. Jika sudu adalah radial pada sisi masuk, sisi keluar atau kedua-duanya, kemudian kecepatan pusar pada ujun dusu adalah nol. Contoh soal 3. Sebuah turbin reaksi aliran ke dalam, mempunyai diameter eksternal sebesar,5 meter dan bekerja pada 400 rpm. Kecepatan aliran pada sisi masuk adalah 0 m/s. Jika sudut sudu penarah 50, carilah (a kecepatan absolut air, (b kecep[atan pusar pada sisi masuk, (c sudut sudu sisi masuk runner, dan (d kecepatan relatif pada sisi masuk. Jawab Diketahui: D,5 m; N 400 rpm; f 0 m/s; dan α 5 0 (a Kecepatan absolut air: Dari seitia kecepatan, diperoleh kecepatan absolut air: f sin 5 0 38,64 m/s 0 0,588 (b kecepatan pusar pada sisi masuk: Dari seitia kecepatan, diperoleh kecepatan pusar sisi masuk: w cos 5 0 38,64 x 0,9659 37,3 m/s (c Sudut sudu runner sisi masuk: DN 60 x,5 x 400 3,4 m/s 60 Asyari D. Yunus - Mesin Konersi Eneri Teknik Mesin Uniersitas Darma Persada, Jakarta 99
f tan w 0,695 atau θ 59,50 37,33,4 (d Kecepatan relatif pada sisi masuk: Dari seitia kecepatan, bisa dicari kecepatan relatif pada sisi masuk: r f sin 59,5 0,6 m/s 0 0,866 4. 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-masn adalah 4 m/s dan 8 m/s. Diasumsikan sisi keluar aliran adalah radial, dan kecepatan aliran konstan, carilah: ( sudut susu sisi masuk ( head air pada turbin Jawab Diketahui: Q 600 lt/s 0,6 m 3 /s; f 6 m/s; 4 m/s; w 8 m/s dan f f ( Sudut sudu sisi masuk: tan 80 0 f w 6 48,0 80 0 θ 45 0 atau θ 35 0 ( Head air pada turbin: Asyari D. Yunus - Mesin Konersi Eneri Teknik Mesin Uniersitas Darma Persada, Jakarta 00
w. H 8 x 4 9,8 H f 44,0H f H 6 x9,8 H,8 H 44,8 45,8 m Asyari D. Yunus - Mesin Konersi Eneri Teknik Mesin Uniersitas Darma Persada, Jakarta 0