BAB 6 MESIN HIDRAULIK
Bab ini dirangka untuk membantu pelajar mencapai perkara berikut:
1.
2.
3.
Mengetahui jenis jenis pam dan turbin.
Mengenalpasti ciri ciri pam dan turbin.
Mengira dan menentukan kecekapan pam dan turbin.
Di akhir bab, adalah diharapkan para pelajar dapat:
1.
2.
3.
Membuat perbandingan di antara prinsip kerja pam dan prinsip kerja turbin.
Menilai fungsi sesuatu pam dan turbin dalam melaksanakan kerja.
Menyatakan sesuatu tenaga kerja yang dilaksanakan oleh pam dan turbin
!
Pam dan turbin adalah peralatan mesin bendalir yang membantu menambahkan atau
mengurangkan tenaga didalam sesuatu operasi kerja. Mesin rotodinamik adalah salah
satu mesin hidraulik yang bertindak sebagai peranti yang memindahkan tenaga samada
kepada atau daripada bendalir yang mengalir secara selanjar melalui tindakan dinamik
satu atau lebih deretan bilah yang bergerak dinamakan mesin turbo. Pada asasnya,
deretan bilah yang berputar iaitu pemutar menukarkan entalpi genangan bendalir yang
bergerak melaluinya dengan melakukan kerja positif atau negatif bergantung kepada
penghasilan daripada mesin. Perubahan entalpi berkait rapat dengan perubahan tekanan
yang terjadi secara serentak dalam bendalir.
Dua kategori utama mesin turbo yang dikenalpasti iaitu:
(a)
mesin yang menyerap kuasa untuk menaikkan tekanan bendalir atau turus
seperti kipas bersalur, pemampat dan pam.
(b)
mesin yang menghasilkan kuasa dengan mengembangkan bendalir ke suatu
tekanan atau turus yang lebih rendah seperti turbin stim dan gas.
Contoh penggunaan pam adalah semasa penghantaran air melalui
sistem talian paip ke kawasan bertanah tinggi. Manakala turbin
pula digunakan didalam operasi hidroelektrik.
"
Pam berfungsi menambahkan tenaga kepada bendalir didalam sesuatu operasi dengan
menukarkan tenaga mekanikal kepada tenaga air. Pam boleh berfungsi secara tunggal
atau berpasangan (bersiri atau selari). Secara umum pam diklasifikasikan kepada dua
iaitu pam anjakan positif dan pam rotodinamik seperti ditunjukkan di Rajah 7.1.
PAM
Rotodinamik
Anjakan Positif
Aliran Paksi
(
)
Salingan
(
)
Putaran
(
Empar
(
)
Rajah 7.1 Klasifikasi pam
158
Aliran Campuran
(
)
#
$
%&
Pam anjakan positif berfungsi untuk membawa sekuantiti bendalir dengan setiap
putarannya. Pam ini digunakan kebiasaanya untuk bendalir yang mempunyai
ketumpatan yang tinggi seperti cat, minyak atau kumbahan. Ia boleh dikategorikan
kepada 2 iaitu pam salingan dan pam putaran. Pam salingan seperti Rajah 7.2 (a)
mengerakkan bendalir dengan menggunakan omboh ke dalam silinder dengan injap
yang mengawal arah pergerakkan air. Contohnya pam pendesak dan pam pengangkut.
Rajah 6.2 (a) Pam Salingan
Rajah 6.2 (b) Pam Putaran
Begitu juga dengan pam putaran yang berfungsi seperti pam salingan yang
membenarkan bendalir memenuhi ruang kemudian memaksa bendalir keluar dengan
mengurangkan isipadunya. Tetapi pam putaran tidak mempunyai injap dan
menggunakan komponen putarannya untuk menggantikan injap.
'
%
Pam rotodinamik berfungsi dengan meningkatkan tenaga bendalir dengan pergerakkan
pendorong (
) dengan bergantung kepada tindabalas pergerakkan air dan bentuk
pendorong. Pam terbahagi kepada 3 iaitu pam paksi (atau pam pendorong), pam
campuran (aliran jejari dan paksi) dan pam empar (aliran jejari dan campuran) seperti
yang ditunjukkan di Rajah 7.3 (a) dan (b).
Rajah 6.3 (a) Pam empar
Rajah 6.3 (b) Pam pendorong (
pump)
Pam rotodinamik diklasifikasikan berdasarkan kepada
pergerakkan utama bendalir
159
'"
Pam empar merupakan sejenis pam rotodinamik yang paling popular kerana ia popular
dalam penggunaanya dan terdapat banyak di pasaran. Pam ini boleh membuat
pergerakan aliran paksi dan campuran (aliran arah paksi (
) dan aliran arah jejari
(
)). Rajah 7.4 dibawah menunjukkan bahagian utama pam.
Bekas/Kelongsong
(
Bilah (
)
Pendorong (!
Rajah 6.4 Lakaran skematik pam empar
Merujuk kepada Rajah 6.4, air mengalir ke dalam pam dalam arah paksi menyebabkan
pendorong (impeller) berputar. Bentuk pendorong akan membuatkan air mengalir
keluar dari pendorong dan seterusnya dari pam. Air yang mengalir keluar menyebabkan
2 komponen halaju terjadi iaitu halaju putar (tangen) dan halaju aliran (jejari)
'#
(
)(
!
!
Lengkung kadar alir, Q melawan turus, H dan lengkung kecekapan, η melawan kadar
alir, Q menunjukkan ciri – ciri sesebuah pam. Kebanyakan pam beroperasi dengan
kelajuan malar (diukur dalam putaran per minit atau rpm) daripada mengubah beban
air. Lengkung – lengkung ini biasanya di lakarkan untuk sesuatu nilai kelajuan yang di
ingini (rekabentuk). Lengkung kadar alir, Q dan turus, H boleh dibuktikan daripada
teori mekanik pam dimana
= −
(6.1)
dimana a dan b adalah pemalar bergantung kepada jenis pam
Secara teorinya, kadar alir, Q melawan turus, H menghasilkan garisan tegak seperti di
Rajah 6.5. Tetapi didalam keadaan sebenar, ia menunjukkan garisan lengkung dan
didapati nilai turus sebenar lebih rendah daripada yang sepatutnya (teori).
160
Turus, H
=
−
(teori)
sebenar
Kehilangan
turus
Kadar alir,
Q dan turus H
Rajah 6.5 Lakaran hubungan kadar alir Q
Ini menunjukkan terdapat kehilangan turus yang berlaku di dalam pam disebabkan oleh
pengaliran air keluar dan masuk (kehilangan kecil) dan geseran didalam pam. Ciri
keseluruhan pam empar boleh ditunjukkan seperti Rajah 7.6 dimana hubungan kuasa
masuk, P, kecekapan, η dan turus, H melawan kadar alir, Q.
Turus, H
Kecekapan, η
Kuasa, P
Kecekapan
Kuasa masuk
turus
Kadar alir, Q
Rajah 6.6 Lakaran lengkung ciri pam empar
Apabila injap pada paip hantaran ditutup, pendesak yang sedang memutar akan
memusingkan air sehingga tekanan di titik keluar pam naik ke turus maksimum ( " #
" ). Apabila injap ini dibuka secara beransur untuk membenarkan aliran berlalu
di dalam paip, turus pam akan turun. Dengan penambahan kadar alir, kecekapan pam
turut bertambah sehingga mencapai optimum dan kemudian menurun semula sehingga
tamat. Persilangan diantara turus dan kuasa ketika kecekapan maksimum merupakan
titik terbaik untuk menjalankan pam.
161
*
(
1
2
3
4
5
6
7
8
+(
Jadual 6.1 Simbol umum bagi persamaan pam
Simbol
Penerangan
V
halaju mutlak bendalir
v
halaju nisbah bendalir pada bilah
u
2π $
halaju sisian pada bilah =
60
r
jejari
N
pusingan per minit
α
sudut berdasarkan halaju mutlak dengan arah halaju sisian
positif
β
sudut berdasarkan halaju nisbah dengan arah halaju sisian
negatif dan dikenali sebagai sudut bilah
= 180 − β
β'
9
Vu
10
Vf
11
b
= Vcos α dikenali sebagai halaju putar dan juga komponen
tangen pada halaju mutlak V dan
Vsin α dikenali sebagai halaju aliran dan juga komponen jejari
pada halaju mutlak V
lebar laluan aliran
Daya kilas (% & ) iaitu daya yang bertindak pada bendalir ketika masuk (1) dan
keluar (2) iaitu:
% = ρ ( 2'2 cos α 2 − 1'1 cos α 1 )
% = ρ ( 2' 2 − 1' 1 )
(6.2)
dimana Vu = Vcos α = halaju putar
r = jejari
Persamaan kadaralir dalam bentuk halaju aliran (
keluar (2) iaitu:
= π(2 2' 2 = π(1 1' 1
dimana Vf = Vsin α dan b = lebar
) ketika masuk (1) dan
(6.3)
Turus manometrik (H’) ialah turus yang dipindahkan daripada aci bersamaan juga
dengan turus yang dihantar ke mesin hidraulik ketika masuk (1) dan keluar (2) iaitu:
'
=
(
' 2 − 1' 1 )
2
=
+"
(6.4)
) dan keluaran
dimana " adalah kehilangan turus yang berlaku pada masukkan (
) bilah dan kehilangan geseran pada aliran disebabkan oleh pusingan atau
(
putaran bilah. Manakala kecekapan hidraulik (ηH) atau kecekapan manometrik dimana:
162
η =
'
=
' 2 − 1' 1
2
η = 1−
"
(6.5)
'
Kecekapan keseluruhan pam adalah nisbah kuasa keluaran, ) (terhasil daripada turus
yang dinaikkan dengan kadar alir tertentu) per kuasa masukan, ) iaitu,
Kuasa keluaran ialah kuasa yang dihantar ke bendalir (kuasa bendalir),
Watt
(6.6)
) atau ) = ρ gQH
Dimana Q = kadar alir (m3/s)
ρ = ketumpatan (kg/m3)
g = pecutan graviti (m/s2)
H = turus sebenar (m) (Hsebenar = Hteori – kehilangan turus).
Manakala kuasa masukan adalah kuasa daripada pam (mekanikal)
Watt
) atau ) = 2π$%
Dimana $ = kelajuan pam (putaran per minit)
% = daya kilasan motor
(6.7)
Maka, Kecekapan keseluruhan ialah:
η =
) γ
kuasa yang dihantar kepada bendalir
100 =
=
)
)
kuasa brek
dimana,
) = %ω = ρ ( 2' 2 − 1' 1 )
) =γ
,
!
(6.8)
(6.9)
'
%
$-
-
)
Kebanyakkan pam boleh dijalankan pada kelajuan yang berbeza beza untuk
mendapatkan kapasiti pam yang dikehendaki. Oleh yang demikian, penting diketahui
hubungan di antara kapasiti, , turus,
dan kuasa, ) terhadap kelajuan, $ atau garis
pusat pendesak, ( apabila kedua dua nilai ini berubah ubah. Hubungan di antara nilai
nilai ini adalah mengikut Hukum Afiniti iaitu:
163
1. Apabila kelajuan, $ berubah
a. Kapasiti,
berubah terus dengan kelajuan $
1
=
2
$1
$2
(6.10)
berubah dengan kelajuan ganda dua, $ 2
b. Turus,
1
2
2
$
= 1
$2
(6.11)
c. Kuasa, ) yang diperlukan oleh pam berubah terus dengan kelajuan ganda tiga,
$3.
)1 $ 1
=
)2 $ 2
3
(6.12)
2. Apabila garis pusat pendesak, ( berubah
a. Kapasiti,
berubah terus dengan garis pusat, (
1
2
=
(1
(2
(6.13)
berubah dengan garis pusat ganda dua, ( 2
b. Turus,
1
2
(
= 1
(2
2
(6.14)
c. Kuasa, ) yang diperlukan oleh pam berubah dengan garis pusat ganda tiga, ( 3
)1 (1
=
)2 (2
$
%
3
(6.15)
% - $
Kelajuan tentu ditakrifkan sebagai kelajuan pam yang boleh menghantar seunit
isipadu/saat cecair untuk turus seunit satu meter ketika beroperasi dengan kecekapan
maksimum.
164
$ =
$
1
3
2
(6.16)
4
$ merupakan satu indeks bagi sesebuah pam tertentu dan nilai $ ini selalu
digunakan untuk membanding pam yang berlainan saiz misalnya diperlukan ketika
pemilihan pam ingin dilakukan.
Jadual 6.2: Nilai Ns oleh pam rotodinamik
Jenis pam
Nilai $
rotodinamik
(ka), (gal/min)
Empar
500 – 2000
Aliran bercampur
3500 – 8000
Aliran paksi
7000 – 15000
(m), (m3/s)
10 – 42
74 – 170
150 – 315
Sekiranya sesebuah pam dengan garis pusat yang berbeza dipilih, pam ini harus
mempunyai $ yang sama seperti pam yang dirujuk. Ringkasnya, pam yang berbentuk
geometri sama akan mempunyai nilai $ yang sama, ciri ini dinamakan homolog.
.
Adakalanya prestasi sesebuah pam perlu dikaji dengan menggunakan model
berdasarkan prototaip apabila terdapat keserupaan dari segi geometri. Daripada
pengetahuan analisis dimensi, hubungan berikut boleh diterbitkan seperti berikut:
ρ$( 2 $ 2 (
,
,
= $( 3φ
(
ρ$( 2
, 2 2
= $( 3φ
$ (
atau
(6.17)
Dengan kelompok pertama di dalam kurungan ialah nombor Reynolds.
Sekiranya cecair yang digunakan di dalam model adalah serupa dengan di dalam pam
dasar, maka kesan nombor Reynolds sangat kecil dan boleh diabaikan, maka
= $( 3φ 2 2
$ (
(6.18)
Prototaip dan model adalah sesuatu yang serupa dari segi
geometri tetapi di dalam ukuran yang berlainan. Kebiasaannya
nisbah ukuran model lebih kecil daripada prototaip.
Perbandingan model dan prototaip serta 2 pam yang serupa maka,
165
a. Pekali kadar alir
=
3
3
$( 1 $( 2
(6.19)
2 2 = 2 2
$ ( 1 $ ( 2
(6.20)
) )
3 5 = 3 5
$ ( 1 $ ( 2
(6.21)
$
(6.22)
b. Pekali turus
c. Pekali kuasa
d. Pekali kelajuan
/
!
12
34
!
$
=
1
%
12
34
2
!
Rajah 6.7 Pam diantara dua takungan
Rajah 6.7 menunjukkan pam yang berfungsi untuk mengalirkan air melalui sistem
talian paip daripada takungan a ke takungan b yang lebih tinggi kedudukannya. Proses
penyedutan (titik ) dan penghantaran (titik ) di tunjukan di sisi pam. Air disedut dari
takungan melalui paip sedutan dengan halaju
dan dinaikkan setinggi " iaitu tujahan
sedutan statik dengan mengalami turus geseran di dalam paip, " . Oleh itu, jumlah
turus yang masuk ke dalam pam:
166
" 1 =" −"
(6.23)
Apabila air keluar dari pam, tekanan yang tinggi akan memberikan tujahan hantaran
statik dan menghasilkan rintangan geseran di dalam paip hantaran, " . Oleh itu,
jumlah turus yang keluar dari pam:
(6.24)
" 2 =" +"
Jumlah turus pam (H atau hp) ialah beza jumlah turus di titik keluar dan di titik masuk,
iaitu
= " 1−" 2
=
("
+"
) − ("
=
("
− " )+ " + "
=
* + ∑"
=
* − * + ∑"
−"
)
(6.25)
Persamaan 6.22 boleh juga dibuktikan dengan menggunakan
persamaan tenaga di antara pam dan takungan.
Apabila pam beroperasi bersama dengan sistem paip, kedua duanya hendaklah
mempunyai kadar alir yang sama supaya pam berupaya membekalkan kuasa yang
diperlukan oleh sistem. Oleh itu, untuk menyesuaikan pam supaya boleh beroperasi
dengan suatu sistem yang ada, kadar alir dan turus pam berkenaan hendaklah dipilih
pada titik kerja. Rajah 6.8 diplot dan titik silang di antara lengkung sistem paip dan
pada titik kerja.
lengkung pam menunjukkan nilai kadar alir, dan turus,
Titik kerja
Lengkung sistem paip
=*+
∑"
Turus,
Lengkung pam
*
Kadar alir,
Rajah 6.8: Lakaran lengkung pam dan sistem
167
Oleh itu, turus yang terhasil daripada pemasangan pam ke dalam talian paip ialah
= *+
iaitu untuk menghasilkan aliran di dalam sistem talian paip melalui pam,
tenaga yang diperlukan oleh sistem hendaklah sama dengan yang dibekal kepadanya
oleh pam. dimana * ialah tujahan statik dan ∑ " ialah jumlah turus geseran di dalam
paip (
).
0
P1
P2
Rajah 7.9 Pam selari dalam rangkaian paip
Jika sebuah pam berupaya menghasilkan turus yang dikehendaki tetapi kadar alir
rendah, maka kombinasi pam yang serupa secara selari diperlukan untuk meningkatkan
kadar alir.
Rajah 7.9 menunjukkan dua pam iaitu pam A dan pam B disambungkan secara selari
didalam rangkaian paip menyebabkan jumlah kadaralir (Qj) didalam sistem bertambah
iaitu:
+
(6.25)
+=
Manakala nilai turus adalah sama di pam A dan juga di pam B iaitu:
+
=
=
(6.26)
"
P1
P2
Rajah 6.10 Pam bersiri dalam rangkaian paip
Kombinasi pam bersiri digunakan apabila sebuah pam menghasilkan turus yang rendah
dan penambahan pam kedua dapat meningkatkan turus ke tahap yang dikehendakki.
Rajah 7.10 menunjukkan dua pam iaitu pam 1 dan pam 2 disambungkan secara bersiri
didalam rangkaian paip dan turus didalam sistem adalah jumlah bagi kedua dua pam
tersebut iaitu:
168
+
=
=
(6.27)
Manakala kadaralir di pam 1 adalah sama nilainya dengan pam 2 iaitu:
+
=
=
(6.28)
Kedua dua pam samada disusun secara bersiri atau selari mestilah beroperasi
menghampiri kecekapan maksimum untuk penghasilan yang ekonomi.
(1 12 "
Sebuah pam dikehendaki mngepam air sebanyak 10 m3/s dibawah turus 80 m dengan
kelajuan, N adalah 450 rpm. Jika kuasa masukan Pi adalah 9700 kW dan ketumpatan
air, ρ diberi sebagai 998.2 kg/m3 pada suhu 20oC. Kirakan:
(i) Kuasa Keluaran Po
(ii) Kecekapan keseluruhan pam
3
4
Data: Q = 10 m3/s ,
H = 80 m,
N = 450 rpm, Pi = 9700 kW,
i.
Kirakan kuasa keluaran, P o
P o = ρgHQ
= 998.2 X 9.81 X 80 X 10
= 7834 kW
ii.
Kirakan kecekapan keseluruhan, η
η = Po / P i X 100 %
= 7834/9700 X 100%
= 80.8 %
(1 12
ρ = 998.2 kg/m3
#
Sebuah pam empar A dikehendaki mengepam air sebanyak 7 m3/s di bawah turus 150
meter dengan kelajuan 450 putaran/min. Sebuah pam empar B yang menyerupai pam
A in boleh mengepam air sebanyak 0.2 m/s dengan kuasa masukan 220 kW dan
kecekapan 80%. Tentukan
i.
ii.
iii.
turus yang dipam oleh pam B
kelajuan pam B
nisbah skala kedua dua pam ini
169
3
4
Jadual 2: Ciri Pam A dan Pam B
(
Q (m3/s)
7
0.2
H (m)
150
?
N (rpm)
450
?
Pi (kW)
220
i.
Untuk pam B,
η = Po/Pi = 0.8
Po = 0.8 x 220k = 176 kW
Po = ρ gHQ
176x103 = 103 x 9.82 x 0.2 H
Maka,
H = 89.7 m
ii.
Untuk keserupaan di antara A dan B, kelajuan tentu Ns harus sama.
$
12
34
$
=
12
34
,
NB = NA(QA/QB)½ (HB/HA)¾
= 450(7/0.2) ½ (89.7/150) ¾
= 1810 rpm
iii.
Gunakan salah satu daripada persamaan keserupaan tersebut untuk memperolehi
nisbah DA/DB.
Dengan menggunakan pekali kadar alir,
=
3
3
$( ,
$(
(DA/DB)3 = (QA/QB) (NB/NA)
= (7/0.2) (1810/450)
DA/DB = (140.78) 1/3
= 5.2
170
(1 12 '
Pam empar mengalirkan air sebanyak 100 L/s pada halaju 1450 rpm dibawah turus 15
m. Pendesak (impeller) mempunyai diameter luar 25 cm bersama lebar luaran 6 cm.
Diberikan nilai kecekapan manometrik adalah 0.8. Kirakan sudut bilah pada bahagian
luarnya jika diberi segitiga halaju keluar seperti di Rajah 7.11.
u2
Vu2
(u2 Vu2)
v2
3
V2
4
Q = 100 L/s = 0.1 m3/s, N = 1450 rpm, D2 = 0.25 m,
b = 0.06 m, η = 0.8
Pada keluaran,
Halaju sisian,
2
=
π(2 $
60
=
π 0.25 1450
60
= 18.98 /
Untuk Vu2,
Andaikan aliran secara berjejari pada masukan,
η =
'2
9.81 15
0.8 =
18.98 ' 2
halaju putar
' 2 = 9.69 /
2
Untuk Vf2,
Gunakan formula kadaralir,
= π(2 2' 2
0.1 = π 0.25 0.06 '
'
2
2
= 2.122 /
Segitiga halaju
'
tan β 2 =
2
=
2
−'
2
2.122
= 0.2284
(18.98 − 9.69)
−1
β 2 = tan 0.2284 = 12.87°
171
""
%
Turbin adalah mesin hidraulik yang digunakan untuk menukarkan tenaga hidraulik
sesuatu bendalir kepada tenaga mekanikal. Ia biasanya digunakan untuk menghasilkan
tenaga elektrikal (
) dengan menggunakan purata aliran air atau perbezaan
ketinggian sesebuah sungai atau takungan air. Turbin hidraulik diklasifikasikan kepada
2 iaitu pam tindakbalas dan pam dedenyut seperti di Rajah 7.12.
Dedenyut
Pelton
TURBIN
Tindakbalas
Francis
Kaplan
Rajah 6.12 Klasifikasi turbin
"#
%
%
Turbin tindakbalas menghasilkan kuasa daripada tindakbalas air yang mengalir melalui
bilah bilahnya dalam kejatuhan tekanan atau perbezaan turus, H yang rendah dengan
kadar alir yang tinggi. Selain itu, secara asasnya aliran berlawanan dengan aliran pam
rotodinamik. Turbin ini diklasifikasikan kepada 3 jenis aliran iaitu jejari, paksi dan
campuran. Terdapat banyak jenis pam seperti turbin
, turbin Ljungstrom dan
turbin IFR 90o tetapi yang paling popular ialah turbin Francis dan turbin Kaplan.
"# " %
&
(
Turbin Francis adalah turbin aliran jejari yang mempunyai sejarah perkembangan yang
lama kerana merupakan peranti pertama yang diilhamkan untuk menghasilkan kuasa
hidraulik selama 150 tahun yang lalu. Rekabentuk turbin Francis membenarkan proses
aliran jejari atau aliran campuran dan bayak digunakan untuk turbin air. Tubin sesuai
digunakan untuk kadar alir dan perbezaan turus yang sederhana.
Turbin Francis telah dicipta oleh James Bicheno Francis pada
tahun 1849 yang digunakan untuk kejatuhan tekanan air setinggi
10 m 200 m.
Rajah 6.13 (a) dan (b) menunjukkan lakaran skematik turbin Francis dan siri bilahnya.
Proses bermula apabila bendalir mengalir memasukki ruang dan bergerak ke bilah bilah
melalui beberapa siri injap. Injap tersebut digunakan untuk mengawal aliran dan arah
172
pergerakkan air. Pada permulaan, bilah bertindakbalas dengan air yang memasukki
turbin dan kemudian bahagian bawah bilah pula bertindakbalas dengan hentaman air
ketika mengalir keluar daripada turbin.
Ruang masuk
Ruang
Bilah
Ruang keluar
Injap pengawal
Rajah 6.13 (a) Lakaran skematik turbin
Francis
"# # %
%
%
Rajah 6.13 (b) Siri bilah turbin Francis
%
Turbin pemutar adalah turbin aliran paksi samada dengan bilah tetap atau bilah boleh
laras (turbin Kaplan) dimana ia boleh diubahsuai bergantung kepada keadaan operasi
yang dijalankan.
Turbin Kaplan telah dicipta pada tahun 1914 oleh Victor Kaplan
untuk kejatuhan air yang lebih sederhana ketika laluan air yang
lebih deras
Proses berlaku apabila bendalir mengalir masuk melalui injap masukkan bilah dan terus
ke rotor dengan membuat halaju tangen ketika berputar. Injap masukan bilah dan bilah
putaran boleh dilaraskan dengan menukarkan sudut untuk mendapatkan keluaran yang
optimum berdasarkan sesuatu operasi. Contohnya: operasi yang melibatkan kesesuaian
turus dan kadaralir berubah daripada musim ke musim melalui rotor yang pelbagai
Turbin Kaplan atau
Turbin Pemutar
takungan
janakuasa
paksi
bilah
Rajah 6.14 Turbin Kaplan
173
"'
%
5 %
Turbin dedenyut menghasilkan tenaga/kuasa dengan memesongkan, merendahkan dan
menghentikan pergerakkan air menggunakan bilah bilahnya. Turbin Pelton adalah yang
paling popular bagi turbin jenis ini.
"' " %
5 %
%
Turbin Dedenyut Pelton sesuai digunakan apabila turus tinggi dan kadar alir rendah.
Sekiranya tahap kejatuhan air (turus) adalah terlalu tinggi (> 200m) dimana semua
keupayaan tenaga bersamaan dengan kejatuhan air ditukarkan kepada tenaga kinetik
sebelum memasuki turbin.
Turbin dedenyut pelton dinamakan sempena dengan nama seorang
jurutera Amerika Lester Allen Pelton yang telah mendapat hak
ciptanya pada abad ke 19.
Turbin Pelton
Takungan
Empis air
Timba
Muncung
Jet air
Rajah 6.15: Turbin Pelton
Rajah 6.15 menunjukkan penggunaan turbin di empangan dimana tenaga pada bendalir
yang memasuki rotor adalah dalam bentuk tenaga kinetik yang terhasil daripada
pengaliran terus yang melalui pada bilah atau pendesak ditukarkan kepada kerja
mekanikal terus kepada aci. Kebiasaannya 2 atau lebih jet air dengan satu roda pemutar
digunakan untuk meningkatkan kuasa pada pemutar aci yang mendatar, tetapi ada juga
susunan jet yang pelbagai digunakan bersama turbin aci menegak.
174
Rajah 6.16 : Timba turbin Pelton
Hentaman jet daripada muncung ( ** ) secara tangen ditujukan kepada sirip tengah
timba turbin Pelton seperti di Rajah 7.16 semasa proses kerja turbin Pelton dijalankan.
Timba timba tersebut dipasang bersekali dengan satu roda ataupun berasingan.
"*
(
+(
%
Jadual 6.3 menunjukkan ciri – ciri umum bagi turbin tindakbalas dan turbin dedenyut.
1
2
3
4
5
6
7
8
Jadual 6.3 Simbol umum bagi persamaan pam
Simbol
Penerangan
V
halaju mutlak bendalir
v
halaju nisbah bendalir pada bilah
u
2π $
halaju sisian pada bilah =
60
r
jejari
N
pusingan per minit
α
sudut berdasarkan halaju mutlak dengan arah halaju sisian
positif
β
sudut berdasarkan halaju nisbah dengan arah halaju sisian
negatif dan dikenali sebagai sudut bilah
= 180 − β
β'
9
Vu
10
Vf
11
b
= Vcos α dikenali sebagai halaju putar dan juga komponen
tangen pada halaju mutlak V dan
Vsin α dikenali sebagai halaju aliran dan juga komponen jejari
pada halaju mutlak V
lebar laluan aliran
175
Jadual 6.4: Ciri – ciri turbin
%6
1
&
7
100 1760
30 450
75 1000
70 1000
8 – 30
40 – 420
105
600
(
Turus H (m)
Halaju N (rpm)
Halaju tentu, Ns
Kuasa, Pm (MW)
8
9
6
1.5 75
70 600
380 – 950
125
Persamaan 6.29 hingga persamaan 6.29 adalah persamaan umum bagi turbin dan ketika
masuk (1) dan keluar (2) iaitu:
Kadaralir (
"
)
Q = V1A1 = V2A2
= 2π 1 1'1 sin α1 = 2π 2 2'2 sin α 2
= 2π 1 1' 1 = 2π 2 2' 2
(6.29)
Daya kilas (% & ) adalah daya yang diwujudkan oleh tindakbalas cecair dengan bilah
% = ρ ( 1'1 cos α1 − 2'2 cos α 2 )
% = ρ ( 1' 1 − 2' 2 )
(6.30)
Turus ("
), He = turus yang dihasilkan oleh turbin
)=γ
= ρ (' 1 1 − ' 2 2 )
' − '
= 1 1 2 2
)
Kecekapan hidraulik (
η =
η =
(6.31)
turus tenaga yang hilang
turus tenaga bersih
1' 1 − 2' 2
=
(6.32)
dimana turus bersih (H) adalah perbezaan turus tenaga pada hulu turbin dan hilir
(
).
Kuasa ()
ke aci ( "
) yang terbahagi kepada 2 iaitu kuasa keluaran (kuasa yang dipindahkan
) iaitu
) atau ) = %ω = ρ (' 1 1 − ' 2 2 )
(6.33)
dan kuasa masukan (kuasa air)
) atau ) = ρ
176
(6.34)
Kecekapan keseluruhan (kuasa aci )
η =
=
100
kuasa air )
) ialah:
(6.35)
Kelajuan tentu ditakrifkan sebagai kelajuan turbin yang boleh menggunakan seunit
isipadu/saat cecair untuk turus seunit satu meter ketika beroperasi dengan kecekapan
maksimum.
$ )
(6.36)
$ = 5 / 4 unit 1/ 2 .−3 / 4% −3 / 2
[
",
]
%
%
%
Rajah 7.17 menunjukkan vektor bagi aliran masuk dan keluar bagi timba (
)
turbin Pelton.
Vu1
u
V1
Masukan
Keluaran
Rajah 7.17 Vektor halaju bagi Timba Turbin Pelton
Terdapat persamaan yang khas untuk turbin Pelton yang berkaitan dengan timbanya
(
).
Halaju jet, V1 bersamaan dengan halaju mutlak dari kesan hentaman iaitu:
'1 =
2
dimana pekali halaju, Cv ≈ 0.95 to 0.98
Halaju relatif pada masukkan,
1 = ('1 − )
dimana = Halaju sisian pada roda pusingan
Halaju relatif pada keluaran,
= 1
2 = '2 −
dimana k adalah pemalar bagi kehilangan pusingan. Jika k = 1
maka v1 = v2
(6.37)
(6.38)
(6.39)
177
Sudut timba, β bersamaan dengan sudut balikan jet dan biasanya sudut mencapah
β’ = (180 – β)
(6.40)
Daya (
) adalah daya yang bertindak terhadap timba dalam arah –x
= ρ ('1 − )(1 + cos β ' )
Kuasa dipindahkan kepada timba (kuasa mekanikal)
) = ρ ('1 − )(1 + cos β ' )
(6.41)
(6.42)
Turus yang dihasilkan,
=
1
('1 − )(1 + cos β ' )
(6.43)
Kecekapan hidraulik,
η =
(6.44)
Faktor halaju/Nisbah halaju
halaju sisi
=
halaju unggul
2
dimana φ berada didalam julat 0.43 to 0.47
φ=
"
(6.45)
%
Model biasa digunakan dalam mengkaji atau merekabentuk turbin. Keserupaan
geometri adalah asas yang terpenting dalam membandingkan antara 2 turbin
$ ( $ (
=
(6.46)
2
1
No 1 dan 2 boleh menjadi m dan p iaitu
=
$( 3 $ ( 3
model (m) dan prototaip (p)
2
1
) )
5 3 = 5 3
( $ ( $
2
1
Halaju tentu juga ditunjukkan sebagai
$
$ 1 =
178
) $
=
1
5/4
)
=$
2
5/4
(6.47)
(6.48)
(6.49)
2
".
(a)
%%
%
Kelajuan unit
Kelajuan unit, Nu adalah kelajuan bagi turbin yang serupa dari segi geometri dan
beroperasi pada turus 1 m
$
(6.50)
$ =
Jika dibuat perbandingan antara 2 turbin yang geometrinya sama maka
N1 α H11/2
N2 α H21/2
$1
$2
Oleh itu,
=
1
(b)
(6.51)
2
Kadar alir Unit
Kadar alir Unit, Qu adalah kadar alir bagi turbin yang serupa dari segi geometri dan
beroperasi pada turus 1 m
=
(6.52)
Jika dibuat perbandingan antara 2 turbin yang geometrinya sama maka
Q1 α H11/2
Q2 α H21/2
Oleh itu,
=
1
1
(c)
2
(6.53)
2
Kuasa Unit
Kuasa Unit, Pu ialah kuasa bagi turbin yang serupa dari segi geometrik dan beroperasi
pada turus 1 m
)
) = 3/ 2
(6.54)
Jika dibuat perbandingan antara 2 turbin yang geometrinya sama maka
P1 α H13/2
P2 α H23/2
Oleh itu, P1 = P2 (H1/H2 )3/2
(6.55)
179
(1 12 *4
Turbin dedenyut Pelton telah dipasang dengan sepasang juntaian untuk mencapai 3000
kW ketika turus bersih 270 m. Jika kecekapan keseluruhan adalah 0.9, kirakan
(i) diameter nozel
(ii) Nisbah halaju
(iii) Halaju tentu (Cv = 0.95)
3
P/2 roda = 3000 kW maka kuasa per roda = 3000 / 2 = 1500 kW
H = 270 m , η 0 = 0.9 , Cv = 0.95
(i)
Kuasa ) = η 0γ
1500 = 0.9 9.81
Q = 0.629 m3/s
270
Halaju jet, V1 =
2
= 0.95 2 9.81 270 = 69.14 m/s
Untuk muncung,
=
π
2
4
0.629 =
'1
π
2
69.14
4
d = 0.11 6 m = 11.6 cm
(ii)
Halaju sisian bagi timba,
π($
=
60
π 1.5 400
=
= 31.42 /
60
Nisbah halaju
φ=
(iii)
31.42
= 0.432
2 9.81 270
Halaju tentu
$ =
180
2
=
$ )
5/4
=
400 1500
= 14.15
2705 / 4
(1 12 ,4
Turbin Pelton beroperasi pada turus 45 m dengan kadaralir 0.8 m3/s. Halaju timba
diberi sebagai 14 m/s. Kirakan kecekapan keseluruhan dan kuasa yang terhasil apabila
pancutan jet mengenai timba pada sudut 165o. Andaikan pekali halaju = 0.985 dan
kecekapan mekanikal = 0.95
3
4
H = 45 m, Q = 0.8 m3/s, u = 14 m/s, β = 165 , Cv = 0.985, η =0.95, β ' = 15o
Kuasa
= 0.985 2(9.81)(45) = 29.27 /
2
) = %ω = ρ
('1 − )(1 + cos β ' )
) = 1000(0.8)(14)(29.27 − 14)(1 + cos 15) = 336.9 /
Kecekapan
η =
(1 12
)
336.9 0.95
=
= 0.906 = 90.6%
) 9810 0.8 45
4
Sebuah turbin mencapai kuasa sebanyak 8,000 kW apabila beroperasi pada 100 rpm
dan ketika itu turus turbin tersebut adalah 30 m. Jika turus turbin menurun sebanyak 18
m, kirakan halaju dan kuasa yang dicapai oleh turbin tersebut.
3
Ketika H1 = 30 maka P1 = 8,000 kW, N1 =100 rpm
P2?
N2?
Ketika H2 = 18
Bagi keserupaan geometri,
$
Kelajuan unit $ =
$1
=
$2
1
2
$ 2 = $1
2
/
1
= 100 18 / 30
$ 2 = 77.46
181
Kuasa unit
) =
)
)1
=
3/ 2
3/ 2
1
)2 = )1
"/
!
)2
3/ 2
2
2
1
3/ 2
18
= 8000
30
%
3/ 2
= 3718 /
(
%
Kecekapan, %
Jenis turbin
Dedenyut Pelton
Francis
Pemutar
Kaplan
Peratusan kadar keluaran
Rajah 6.18 Peratus Kecekapan Turbin
Di dalam memilih turbin yang sesuai digunakan untuk sesuatu operasi, peratus
kecekapan dalam menghasilkan kadar keluaran yang maksimum amat diperlukan.
Walaupun terdapat perbezaan proses kerja, kecekapan turbin dapat dilakarkan seperti di
Rajah 7.18 yang menunjukan kadar keluaran melawan kecekapan dalam bentuk
peratus. Turbin Pelton dapat menghasilkan kecekapan maksimum 89% pada kadar
keluaran 40% hingga 70% sebelum berlaku penurunan kecekapan sebanyak 2% 3%.
Turbin Francis dan Pemutar menghasilkan kecekapan maksimum melebihi 90% pada
kadar keluaran 90% sebelum jatuh sebanyak 90% pada kadar keluaran 100%. Namun
begitu, turbin Francis dapat menghasilkan kecekapan 15% lebih baik daripada turbin
Pemutar pada keluaran 20%. Turbin Kaplan dapat menghasilkan kecekapan maksimum
pada keluaran 30% 90% dengan melebihi 90%. Turbin ini akan yang paling tinggi
182
tahap kecekapannya walaupun agak lambat mencapai maksimum jika dibandingkan
dengan turbin Pelton.
"0
!!
Peronggaan adalah fenomena yang terjadi ketika cecair mendidih pada suhu normal
apabila tekanan statik menjadi cukup rendah. Peronggaan boleh terjadi di bahagian
masuk pam dan di bahagian keluar turbin di persekitaran bilah yang bergerak. Tindakan
dinamik bilah menyebabkan tekanan statik berkurangan secara tempatan dalam deretan
bilah yang tekanannya sememangnya telah berada dibawah tekanan atmosfera.
Fenomena ini dipercepatkan oleh wujudnya gas terlarut yang dilepaskan dengan satu
pengurangan tekanan. Contohnya sebuah pam empar yang beroperasi pada kelajuan
dan muatan malar. Apabila turus tekanan masuk dikurangkan secara mantap, satu titik
akan dicapai ketika serangkaian buih wap yang kecil dan melekat pada permukaan
pepejal. Ini dinamakan insepsi peronggaan dan berterusan didalam kawasan bertekanan
rendah. Buih tadi akan bergerak ke kawasan bertekanan tinggi lalu berpecah.
Kondensasi akan terjadi secara serta merta dimana cecair disekeliling buih akan
memukul dinding atau cecair berhampiran. Gelombang tekanan yang dijanakan oleh
buih yang berpecah akan menaikkan aras tekanan secara serta merta dipersekitaran dan
terhenti. Proses ini boleh berulang dan kekerapan kejadian yang berlaku boleh setinggi
25 kHz. Tindakan berulang buih tersebut menyebabkan hakisan peronggan berlaku dan
mengurangkan/menurunkan kecekapan sesebuah pam atau turbin dalam melakukan
operasi kerja dan kerosakan bahan dalaman mesin.
183
%
1) Sebuah pam empar berupaya menaikkan air setinggi 37 m (turus sebenar) dan
kecekapan manometer pam ini ialah 0.80. Paip hantaran dan paip penyedutan
adalah berdiameter sama, iaitu 15 cm. Diameter pendorong 0
dibahagian keluar ialah 38 cm dan lebarnya 2.5 cm. Sudut bilah di bahagian
keluar ialah 25º. Untuk menaikkan air setinggi itu, pam diputarkan selaju 1320
rpm. Jika penyusutan seluruh paip akibat geseran ialah 9.12 m, tentukan kadar
luahan pam.
2) Paip yang berdiameter 15 cm (4f = 0.02) dengan panjang 300m menerima air
yang melaluinya dari tangki simpanan air serta aras ketinggian air dipermukaan
adalah 150m dan aras kedudukan nozel adalah 90m. Jet daripada nozel
digunakan untuk menggerakkan turbin impul yang kecil. Jika turus kurang
daripada nozel/muncung boleh mangganggap 0.04V1²/2g, dapatkan diameter jet
tersebut untuk memperolehi nilai maksimum kuasa jet itu. Abaikan turus yang
kurang apabila memasuki paip ke tangki simpanan. Kirakan kuasa jet tersebut.
3) Sebuah pam empar meluahkan 7m³/min air pada putaran 1200 rpm. Berupay
menaikan air setinggi 16 m. Ukuran diameter pendorong dan luas bahagian
aliran dibahagian luar masing masing ialah 25 cm dan 465 cm². Air memasuki
pam tanpa pusaran dan jumlah kesusutan akibat geseran ialah 0.003V12 m, dan
V1 merupakan halaju mutlak aliran yang meninggalkan pendesak. Tentukan
sudut bilah di bahagian keluar jika bilah pendorong tersebut jenis melengkung
ke belakang.
4) Sebuah pam empar dengan ukuran diameter paip sedutan dan paip hantaran
yang sama iaitu 100 mm. Pam ini mempunyai turus sedut dan turus hantar
masing masing dengan ketinggian 2.5 m dan 28 m manakala panjang paip sedut
dan paip hantar masing masing ialah 3.5 m dan 22 m. Diberi diameter
pendorong ialah 30 cm dengan lebar 2 cm. Ketika pam diputar pada 1400 rpm,
air masuk secara jejarian dan sudut bilah pendesak pada bahagian keluar ialah
26º. Tentukan kadar aliran pam dan kuasa yang perlu untuk pam ini apabila
kecekapan hidraulik dan mekanik pam ini masing masing ialah 0.75 dan 0.88.
(Pekali geseran dalam setiap paip ialah = 0.025)
5) Sebuah pam menghantar 76 l/min air pada turus 12 m dengan putaran setinggi
3600 p.s.m apabila suhu air ialah 10 ºC. Tentukan suhu air yang diperlukan
untuk menghasilkan satu keserupaan lengkap, jika pam harus diputar selaju
1800 rpm. Tentukan juga kadar alir, turus dan juga laju tentu pada kedua dua
keadaan kerja tadi.
6) Sebuah pam dengan pendesak bergaris pusat 1.2 m menghantar 1.88 m³/s
apabila berputar selaju 200 p.s.m. Luas berkesan bahagian keluar ialah 7.75²
dengan bilahnya melengkung ke belakang pada sudut 26º. Tentukan putaran
184
terendah pam ini untuk menghasilkan turus setinggi 6m, jika nisbah garis
pusatnya 2. Tentukan juga kuasa yang perlu dan juga kecekapan manometernya.
7) Dua buah pam yang serupa iaitu pam A & B telah beroperasi dengan kelajuan
yang sama iaitu 60 rpm. Pam A mempunyai pendesak berdiameter 50 cm dan
mengalirkan air dengan kadar 0.4 m3/s dibawah turus bersih 50 cm. Kirakan
saiz pam B dan turus bersihnya jika pam tersebut mengalir air dengan kadar 0.3
m3/s.
8) Jika turbin Francis mengeluarkan 6700 kW pada 300 rpm dibawah turus bersih
40 m dengan kecekapan keseluruhan 80%. Berapakah nilai bagi pusingan
perminit dan kadaralir pada turbin yang sama dibawah turus bersih 50 m
didalam situasi homolog.
9) Turbin Pelton beroperasi pada turus 45 m dengan kadaralir 0.8 m3/s. Halaju
timba diberi sebagai 14 m/s. Kirakan kecekapan keseluruhan dan kuasa yang
terhasil apabila pancutan jet mengenai timba pada sudut 165o. Andaikan pekali
halaju = 0.985 dan kecekapan mekanikal = 0.95.
10) Semasa turbin Pelton berputar, hentaman jet telah memesongkan sudut
sebanyak 170o. Diberi halaju permulaan jet adalah 96 m/s dan halaju sisian pada
putaran adalah 44 m/s. Kirakan tenaga kinetik ketika jet meninggalkan timba
dan arah halaju mutlak pada keluaran timba.
11) Sebuah pam empar yang mempunyai pendesak yang berdiameter 30 cm dan
ram dibahagian luar adalah berjejarian. Jika halaju pusingan diberi sebanyak
1450 rpm, kirakan turus bersih yang dicapai. Andaikan kecekapan manometrik
adalah 0.82.
12) Turbin Francis berdiameter 3.0 m menghasilkan kuasa sebanyak 6760 kW pada
halaju 310 rpm dibawah turus bersih 47 m. Keserupaan geometrik model pada
nisbah 1: 10 telah diuji pada turus 9 m. Kirakan saiz, halaju, kadaralir dan kuasa
yang diperolehi daripada model? Berapakah halaju tentu model tersebut?
Andaikan kecekapan keseluruhan 0.85 pada model dan prototaip.
13) Sebuah turbin mencapai kuasa sebanyak 6,000 kW apabila beroperasi pada 80
rpm dan ketika itu turus turbin tersebut adalah 20 m. Jika turus turbin menurun
sebanyak 12 m, kirakan halaju dan kuasa yang dicapai oleh turbin tersebut.
14) Sebuah pam empar berputar pada 1450 put /min dan menghantar 95 liter/s
menentang turus setinggi 25 m. Garis pusat pendorong di titik keluar ialah 0.3
m dan luas aliran yang malar keseluruhannya ialah 0.022 m2. Sudut ram di
bahagian keluar ialah 230. Kehilangan turus tenaga di dalam pendesak dianggar
sebagai 1.1 m. Bebibir alur keluar dan paip penghantaran mempunyai garis
pusat 203 mm. Anggarkan kenaikan turus tekanan merentasi pendesak dan
185
kenaikan turus tekanan serta kehilangan turus tenaga di dalam selongsong.
Andaikan agihan halaju seragam.
186
1.
2.
3.
Mengetahui jenis jenis pam dan turbin.
Mengenalpasti ciri ciri pam dan turbin.
Mengira dan menentukan kecekapan pam dan turbin.
Di akhir bab, adalah diharapkan para pelajar dapat:
1.
2.
3.
Membuat perbandingan di antara prinsip kerja pam dan prinsip kerja turbin.
Menilai fungsi sesuatu pam dan turbin dalam melaksanakan kerja.
Menyatakan sesuatu tenaga kerja yang dilaksanakan oleh pam dan turbin
!
Pam dan turbin adalah peralatan mesin bendalir yang membantu menambahkan atau
mengurangkan tenaga didalam sesuatu operasi kerja. Mesin rotodinamik adalah salah
satu mesin hidraulik yang bertindak sebagai peranti yang memindahkan tenaga samada
kepada atau daripada bendalir yang mengalir secara selanjar melalui tindakan dinamik
satu atau lebih deretan bilah yang bergerak dinamakan mesin turbo. Pada asasnya,
deretan bilah yang berputar iaitu pemutar menukarkan entalpi genangan bendalir yang
bergerak melaluinya dengan melakukan kerja positif atau negatif bergantung kepada
penghasilan daripada mesin. Perubahan entalpi berkait rapat dengan perubahan tekanan
yang terjadi secara serentak dalam bendalir.
Dua kategori utama mesin turbo yang dikenalpasti iaitu:
(a)
mesin yang menyerap kuasa untuk menaikkan tekanan bendalir atau turus
seperti kipas bersalur, pemampat dan pam.
(b)
mesin yang menghasilkan kuasa dengan mengembangkan bendalir ke suatu
tekanan atau turus yang lebih rendah seperti turbin stim dan gas.
Contoh penggunaan pam adalah semasa penghantaran air melalui
sistem talian paip ke kawasan bertanah tinggi. Manakala turbin
pula digunakan didalam operasi hidroelektrik.
"
Pam berfungsi menambahkan tenaga kepada bendalir didalam sesuatu operasi dengan
menukarkan tenaga mekanikal kepada tenaga air. Pam boleh berfungsi secara tunggal
atau berpasangan (bersiri atau selari). Secara umum pam diklasifikasikan kepada dua
iaitu pam anjakan positif dan pam rotodinamik seperti ditunjukkan di Rajah 7.1.
PAM
Rotodinamik
Anjakan Positif
Aliran Paksi
(
)
Salingan
(
)
Putaran
(
Empar
(
)
Rajah 7.1 Klasifikasi pam
158
Aliran Campuran
(
)
#
$
%&
Pam anjakan positif berfungsi untuk membawa sekuantiti bendalir dengan setiap
putarannya. Pam ini digunakan kebiasaanya untuk bendalir yang mempunyai
ketumpatan yang tinggi seperti cat, minyak atau kumbahan. Ia boleh dikategorikan
kepada 2 iaitu pam salingan dan pam putaran. Pam salingan seperti Rajah 7.2 (a)
mengerakkan bendalir dengan menggunakan omboh ke dalam silinder dengan injap
yang mengawal arah pergerakkan air. Contohnya pam pendesak dan pam pengangkut.
Rajah 6.2 (a) Pam Salingan
Rajah 6.2 (b) Pam Putaran
Begitu juga dengan pam putaran yang berfungsi seperti pam salingan yang
membenarkan bendalir memenuhi ruang kemudian memaksa bendalir keluar dengan
mengurangkan isipadunya. Tetapi pam putaran tidak mempunyai injap dan
menggunakan komponen putarannya untuk menggantikan injap.
'
%
Pam rotodinamik berfungsi dengan meningkatkan tenaga bendalir dengan pergerakkan
pendorong (
) dengan bergantung kepada tindabalas pergerakkan air dan bentuk
pendorong. Pam terbahagi kepada 3 iaitu pam paksi (atau pam pendorong), pam
campuran (aliran jejari dan paksi) dan pam empar (aliran jejari dan campuran) seperti
yang ditunjukkan di Rajah 7.3 (a) dan (b).
Rajah 6.3 (a) Pam empar
Rajah 6.3 (b) Pam pendorong (
pump)
Pam rotodinamik diklasifikasikan berdasarkan kepada
pergerakkan utama bendalir
159
'"
Pam empar merupakan sejenis pam rotodinamik yang paling popular kerana ia popular
dalam penggunaanya dan terdapat banyak di pasaran. Pam ini boleh membuat
pergerakan aliran paksi dan campuran (aliran arah paksi (
) dan aliran arah jejari
(
)). Rajah 7.4 dibawah menunjukkan bahagian utama pam.
Bekas/Kelongsong
(
Bilah (
)
Pendorong (!
Rajah 6.4 Lakaran skematik pam empar
Merujuk kepada Rajah 6.4, air mengalir ke dalam pam dalam arah paksi menyebabkan
pendorong (impeller) berputar. Bentuk pendorong akan membuatkan air mengalir
keluar dari pendorong dan seterusnya dari pam. Air yang mengalir keluar menyebabkan
2 komponen halaju terjadi iaitu halaju putar (tangen) dan halaju aliran (jejari)
'#
(
)(
!
!
Lengkung kadar alir, Q melawan turus, H dan lengkung kecekapan, η melawan kadar
alir, Q menunjukkan ciri – ciri sesebuah pam. Kebanyakan pam beroperasi dengan
kelajuan malar (diukur dalam putaran per minit atau rpm) daripada mengubah beban
air. Lengkung – lengkung ini biasanya di lakarkan untuk sesuatu nilai kelajuan yang di
ingini (rekabentuk). Lengkung kadar alir, Q dan turus, H boleh dibuktikan daripada
teori mekanik pam dimana
= −
(6.1)
dimana a dan b adalah pemalar bergantung kepada jenis pam
Secara teorinya, kadar alir, Q melawan turus, H menghasilkan garisan tegak seperti di
Rajah 6.5. Tetapi didalam keadaan sebenar, ia menunjukkan garisan lengkung dan
didapati nilai turus sebenar lebih rendah daripada yang sepatutnya (teori).
160
Turus, H
=
−
(teori)
sebenar
Kehilangan
turus
Kadar alir,
Q dan turus H
Rajah 6.5 Lakaran hubungan kadar alir Q
Ini menunjukkan terdapat kehilangan turus yang berlaku di dalam pam disebabkan oleh
pengaliran air keluar dan masuk (kehilangan kecil) dan geseran didalam pam. Ciri
keseluruhan pam empar boleh ditunjukkan seperti Rajah 7.6 dimana hubungan kuasa
masuk, P, kecekapan, η dan turus, H melawan kadar alir, Q.
Turus, H
Kecekapan, η
Kuasa, P
Kecekapan
Kuasa masuk
turus
Kadar alir, Q
Rajah 6.6 Lakaran lengkung ciri pam empar
Apabila injap pada paip hantaran ditutup, pendesak yang sedang memutar akan
memusingkan air sehingga tekanan di titik keluar pam naik ke turus maksimum ( " #
" ). Apabila injap ini dibuka secara beransur untuk membenarkan aliran berlalu
di dalam paip, turus pam akan turun. Dengan penambahan kadar alir, kecekapan pam
turut bertambah sehingga mencapai optimum dan kemudian menurun semula sehingga
tamat. Persilangan diantara turus dan kuasa ketika kecekapan maksimum merupakan
titik terbaik untuk menjalankan pam.
161
*
(
1
2
3
4
5
6
7
8
+(
Jadual 6.1 Simbol umum bagi persamaan pam
Simbol
Penerangan
V
halaju mutlak bendalir
v
halaju nisbah bendalir pada bilah
u
2π $
halaju sisian pada bilah =
60
r
jejari
N
pusingan per minit
α
sudut berdasarkan halaju mutlak dengan arah halaju sisian
positif
β
sudut berdasarkan halaju nisbah dengan arah halaju sisian
negatif dan dikenali sebagai sudut bilah
= 180 − β
β'
9
Vu
10
Vf
11
b
= Vcos α dikenali sebagai halaju putar dan juga komponen
tangen pada halaju mutlak V dan
Vsin α dikenali sebagai halaju aliran dan juga komponen jejari
pada halaju mutlak V
lebar laluan aliran
Daya kilas (% & ) iaitu daya yang bertindak pada bendalir ketika masuk (1) dan
keluar (2) iaitu:
% = ρ ( 2'2 cos α 2 − 1'1 cos α 1 )
% = ρ ( 2' 2 − 1' 1 )
(6.2)
dimana Vu = Vcos α = halaju putar
r = jejari
Persamaan kadaralir dalam bentuk halaju aliran (
keluar (2) iaitu:
= π(2 2' 2 = π(1 1' 1
dimana Vf = Vsin α dan b = lebar
) ketika masuk (1) dan
(6.3)
Turus manometrik (H’) ialah turus yang dipindahkan daripada aci bersamaan juga
dengan turus yang dihantar ke mesin hidraulik ketika masuk (1) dan keluar (2) iaitu:
'
=
(
' 2 − 1' 1 )
2
=
+"
(6.4)
) dan keluaran
dimana " adalah kehilangan turus yang berlaku pada masukkan (
) bilah dan kehilangan geseran pada aliran disebabkan oleh pusingan atau
(
putaran bilah. Manakala kecekapan hidraulik (ηH) atau kecekapan manometrik dimana:
162
η =
'
=
' 2 − 1' 1
2
η = 1−
"
(6.5)
'
Kecekapan keseluruhan pam adalah nisbah kuasa keluaran, ) (terhasil daripada turus
yang dinaikkan dengan kadar alir tertentu) per kuasa masukan, ) iaitu,
Kuasa keluaran ialah kuasa yang dihantar ke bendalir (kuasa bendalir),
Watt
(6.6)
) atau ) = ρ gQH
Dimana Q = kadar alir (m3/s)
ρ = ketumpatan (kg/m3)
g = pecutan graviti (m/s2)
H = turus sebenar (m) (Hsebenar = Hteori – kehilangan turus).
Manakala kuasa masukan adalah kuasa daripada pam (mekanikal)
Watt
) atau ) = 2π$%
Dimana $ = kelajuan pam (putaran per minit)
% = daya kilasan motor
(6.7)
Maka, Kecekapan keseluruhan ialah:
η =
) γ
kuasa yang dihantar kepada bendalir
100 =
=
)
)
kuasa brek
dimana,
) = %ω = ρ ( 2' 2 − 1' 1 )
) =γ
,
!
(6.8)
(6.9)
'
%
$-
-
)
Kebanyakkan pam boleh dijalankan pada kelajuan yang berbeza beza untuk
mendapatkan kapasiti pam yang dikehendaki. Oleh yang demikian, penting diketahui
hubungan di antara kapasiti, , turus,
dan kuasa, ) terhadap kelajuan, $ atau garis
pusat pendesak, ( apabila kedua dua nilai ini berubah ubah. Hubungan di antara nilai
nilai ini adalah mengikut Hukum Afiniti iaitu:
163
1. Apabila kelajuan, $ berubah
a. Kapasiti,
berubah terus dengan kelajuan $
1
=
2
$1
$2
(6.10)
berubah dengan kelajuan ganda dua, $ 2
b. Turus,
1
2
2
$
= 1
$2
(6.11)
c. Kuasa, ) yang diperlukan oleh pam berubah terus dengan kelajuan ganda tiga,
$3.
)1 $ 1
=
)2 $ 2
3
(6.12)
2. Apabila garis pusat pendesak, ( berubah
a. Kapasiti,
berubah terus dengan garis pusat, (
1
2
=
(1
(2
(6.13)
berubah dengan garis pusat ganda dua, ( 2
b. Turus,
1
2
(
= 1
(2
2
(6.14)
c. Kuasa, ) yang diperlukan oleh pam berubah dengan garis pusat ganda tiga, ( 3
)1 (1
=
)2 (2
$
%
3
(6.15)
% - $
Kelajuan tentu ditakrifkan sebagai kelajuan pam yang boleh menghantar seunit
isipadu/saat cecair untuk turus seunit satu meter ketika beroperasi dengan kecekapan
maksimum.
164
$ =
$
1
3
2
(6.16)
4
$ merupakan satu indeks bagi sesebuah pam tertentu dan nilai $ ini selalu
digunakan untuk membanding pam yang berlainan saiz misalnya diperlukan ketika
pemilihan pam ingin dilakukan.
Jadual 6.2: Nilai Ns oleh pam rotodinamik
Jenis pam
Nilai $
rotodinamik
(ka), (gal/min)
Empar
500 – 2000
Aliran bercampur
3500 – 8000
Aliran paksi
7000 – 15000
(m), (m3/s)
10 – 42
74 – 170
150 – 315
Sekiranya sesebuah pam dengan garis pusat yang berbeza dipilih, pam ini harus
mempunyai $ yang sama seperti pam yang dirujuk. Ringkasnya, pam yang berbentuk
geometri sama akan mempunyai nilai $ yang sama, ciri ini dinamakan homolog.
.
Adakalanya prestasi sesebuah pam perlu dikaji dengan menggunakan model
berdasarkan prototaip apabila terdapat keserupaan dari segi geometri. Daripada
pengetahuan analisis dimensi, hubungan berikut boleh diterbitkan seperti berikut:
ρ$( 2 $ 2 (
,
,
= $( 3φ
(
ρ$( 2
, 2 2
= $( 3φ
$ (
atau
(6.17)
Dengan kelompok pertama di dalam kurungan ialah nombor Reynolds.
Sekiranya cecair yang digunakan di dalam model adalah serupa dengan di dalam pam
dasar, maka kesan nombor Reynolds sangat kecil dan boleh diabaikan, maka
= $( 3φ 2 2
$ (
(6.18)
Prototaip dan model adalah sesuatu yang serupa dari segi
geometri tetapi di dalam ukuran yang berlainan. Kebiasaannya
nisbah ukuran model lebih kecil daripada prototaip.
Perbandingan model dan prototaip serta 2 pam yang serupa maka,
165
a. Pekali kadar alir
=
3
3
$( 1 $( 2
(6.19)
2 2 = 2 2
$ ( 1 $ ( 2
(6.20)
) )
3 5 = 3 5
$ ( 1 $ ( 2
(6.21)
$
(6.22)
b. Pekali turus
c. Pekali kuasa
d. Pekali kelajuan
/
!
12
34
!
$
=
1
%
12
34
2
!
Rajah 6.7 Pam diantara dua takungan
Rajah 6.7 menunjukkan pam yang berfungsi untuk mengalirkan air melalui sistem
talian paip daripada takungan a ke takungan b yang lebih tinggi kedudukannya. Proses
penyedutan (titik ) dan penghantaran (titik ) di tunjukan di sisi pam. Air disedut dari
takungan melalui paip sedutan dengan halaju
dan dinaikkan setinggi " iaitu tujahan
sedutan statik dengan mengalami turus geseran di dalam paip, " . Oleh itu, jumlah
turus yang masuk ke dalam pam:
166
" 1 =" −"
(6.23)
Apabila air keluar dari pam, tekanan yang tinggi akan memberikan tujahan hantaran
statik dan menghasilkan rintangan geseran di dalam paip hantaran, " . Oleh itu,
jumlah turus yang keluar dari pam:
(6.24)
" 2 =" +"
Jumlah turus pam (H atau hp) ialah beza jumlah turus di titik keluar dan di titik masuk,
iaitu
= " 1−" 2
=
("
+"
) − ("
=
("
− " )+ " + "
=
* + ∑"
=
* − * + ∑"
−"
)
(6.25)
Persamaan 6.22 boleh juga dibuktikan dengan menggunakan
persamaan tenaga di antara pam dan takungan.
Apabila pam beroperasi bersama dengan sistem paip, kedua duanya hendaklah
mempunyai kadar alir yang sama supaya pam berupaya membekalkan kuasa yang
diperlukan oleh sistem. Oleh itu, untuk menyesuaikan pam supaya boleh beroperasi
dengan suatu sistem yang ada, kadar alir dan turus pam berkenaan hendaklah dipilih
pada titik kerja. Rajah 6.8 diplot dan titik silang di antara lengkung sistem paip dan
pada titik kerja.
lengkung pam menunjukkan nilai kadar alir, dan turus,
Titik kerja
Lengkung sistem paip
=*+
∑"
Turus,
Lengkung pam
*
Kadar alir,
Rajah 6.8: Lakaran lengkung pam dan sistem
167
Oleh itu, turus yang terhasil daripada pemasangan pam ke dalam talian paip ialah
= *+
iaitu untuk menghasilkan aliran di dalam sistem talian paip melalui pam,
tenaga yang diperlukan oleh sistem hendaklah sama dengan yang dibekal kepadanya
oleh pam. dimana * ialah tujahan statik dan ∑ " ialah jumlah turus geseran di dalam
paip (
).
0
P1
P2
Rajah 7.9 Pam selari dalam rangkaian paip
Jika sebuah pam berupaya menghasilkan turus yang dikehendaki tetapi kadar alir
rendah, maka kombinasi pam yang serupa secara selari diperlukan untuk meningkatkan
kadar alir.
Rajah 7.9 menunjukkan dua pam iaitu pam A dan pam B disambungkan secara selari
didalam rangkaian paip menyebabkan jumlah kadaralir (Qj) didalam sistem bertambah
iaitu:
+
(6.25)
+=
Manakala nilai turus adalah sama di pam A dan juga di pam B iaitu:
+
=
=
(6.26)
"
P1
P2
Rajah 6.10 Pam bersiri dalam rangkaian paip
Kombinasi pam bersiri digunakan apabila sebuah pam menghasilkan turus yang rendah
dan penambahan pam kedua dapat meningkatkan turus ke tahap yang dikehendakki.
Rajah 7.10 menunjukkan dua pam iaitu pam 1 dan pam 2 disambungkan secara bersiri
didalam rangkaian paip dan turus didalam sistem adalah jumlah bagi kedua dua pam
tersebut iaitu:
168
+
=
=
(6.27)
Manakala kadaralir di pam 1 adalah sama nilainya dengan pam 2 iaitu:
+
=
=
(6.28)
Kedua dua pam samada disusun secara bersiri atau selari mestilah beroperasi
menghampiri kecekapan maksimum untuk penghasilan yang ekonomi.
(1 12 "
Sebuah pam dikehendaki mngepam air sebanyak 10 m3/s dibawah turus 80 m dengan
kelajuan, N adalah 450 rpm. Jika kuasa masukan Pi adalah 9700 kW dan ketumpatan
air, ρ diberi sebagai 998.2 kg/m3 pada suhu 20oC. Kirakan:
(i) Kuasa Keluaran Po
(ii) Kecekapan keseluruhan pam
3
4
Data: Q = 10 m3/s ,
H = 80 m,
N = 450 rpm, Pi = 9700 kW,
i.
Kirakan kuasa keluaran, P o
P o = ρgHQ
= 998.2 X 9.81 X 80 X 10
= 7834 kW
ii.
Kirakan kecekapan keseluruhan, η
η = Po / P i X 100 %
= 7834/9700 X 100%
= 80.8 %
(1 12
ρ = 998.2 kg/m3
#
Sebuah pam empar A dikehendaki mengepam air sebanyak 7 m3/s di bawah turus 150
meter dengan kelajuan 450 putaran/min. Sebuah pam empar B yang menyerupai pam
A in boleh mengepam air sebanyak 0.2 m/s dengan kuasa masukan 220 kW dan
kecekapan 80%. Tentukan
i.
ii.
iii.
turus yang dipam oleh pam B
kelajuan pam B
nisbah skala kedua dua pam ini
169
3
4
Jadual 2: Ciri Pam A dan Pam B
(
Q (m3/s)
7
0.2
H (m)
150
?
N (rpm)
450
?
Pi (kW)
220
i.
Untuk pam B,
η = Po/Pi = 0.8
Po = 0.8 x 220k = 176 kW
Po = ρ gHQ
176x103 = 103 x 9.82 x 0.2 H
Maka,
H = 89.7 m
ii.
Untuk keserupaan di antara A dan B, kelajuan tentu Ns harus sama.
$
12
34
$
=
12
34
,
NB = NA(QA/QB)½ (HB/HA)¾
= 450(7/0.2) ½ (89.7/150) ¾
= 1810 rpm
iii.
Gunakan salah satu daripada persamaan keserupaan tersebut untuk memperolehi
nisbah DA/DB.
Dengan menggunakan pekali kadar alir,
=
3
3
$( ,
$(
(DA/DB)3 = (QA/QB) (NB/NA)
= (7/0.2) (1810/450)
DA/DB = (140.78) 1/3
= 5.2
170
(1 12 '
Pam empar mengalirkan air sebanyak 100 L/s pada halaju 1450 rpm dibawah turus 15
m. Pendesak (impeller) mempunyai diameter luar 25 cm bersama lebar luaran 6 cm.
Diberikan nilai kecekapan manometrik adalah 0.8. Kirakan sudut bilah pada bahagian
luarnya jika diberi segitiga halaju keluar seperti di Rajah 7.11.
u2
Vu2
(u2 Vu2)
v2
3
V2
4
Q = 100 L/s = 0.1 m3/s, N = 1450 rpm, D2 = 0.25 m,
b = 0.06 m, η = 0.8
Pada keluaran,
Halaju sisian,
2
=
π(2 $
60
=
π 0.25 1450
60
= 18.98 /
Untuk Vu2,
Andaikan aliran secara berjejari pada masukan,
η =
'2
9.81 15
0.8 =
18.98 ' 2
halaju putar
' 2 = 9.69 /
2
Untuk Vf2,
Gunakan formula kadaralir,
= π(2 2' 2
0.1 = π 0.25 0.06 '
'
2
2
= 2.122 /
Segitiga halaju
'
tan β 2 =
2
=
2
−'
2
2.122
= 0.2284
(18.98 − 9.69)
−1
β 2 = tan 0.2284 = 12.87°
171
""
%
Turbin adalah mesin hidraulik yang digunakan untuk menukarkan tenaga hidraulik
sesuatu bendalir kepada tenaga mekanikal. Ia biasanya digunakan untuk menghasilkan
tenaga elektrikal (
) dengan menggunakan purata aliran air atau perbezaan
ketinggian sesebuah sungai atau takungan air. Turbin hidraulik diklasifikasikan kepada
2 iaitu pam tindakbalas dan pam dedenyut seperti di Rajah 7.12.
Dedenyut
Pelton
TURBIN
Tindakbalas
Francis
Kaplan
Rajah 6.12 Klasifikasi turbin
"#
%
%
Turbin tindakbalas menghasilkan kuasa daripada tindakbalas air yang mengalir melalui
bilah bilahnya dalam kejatuhan tekanan atau perbezaan turus, H yang rendah dengan
kadar alir yang tinggi. Selain itu, secara asasnya aliran berlawanan dengan aliran pam
rotodinamik. Turbin ini diklasifikasikan kepada 3 jenis aliran iaitu jejari, paksi dan
campuran. Terdapat banyak jenis pam seperti turbin
, turbin Ljungstrom dan
turbin IFR 90o tetapi yang paling popular ialah turbin Francis dan turbin Kaplan.
"# " %
&
(
Turbin Francis adalah turbin aliran jejari yang mempunyai sejarah perkembangan yang
lama kerana merupakan peranti pertama yang diilhamkan untuk menghasilkan kuasa
hidraulik selama 150 tahun yang lalu. Rekabentuk turbin Francis membenarkan proses
aliran jejari atau aliran campuran dan bayak digunakan untuk turbin air. Tubin sesuai
digunakan untuk kadar alir dan perbezaan turus yang sederhana.
Turbin Francis telah dicipta oleh James Bicheno Francis pada
tahun 1849 yang digunakan untuk kejatuhan tekanan air setinggi
10 m 200 m.
Rajah 6.13 (a) dan (b) menunjukkan lakaran skematik turbin Francis dan siri bilahnya.
Proses bermula apabila bendalir mengalir memasukki ruang dan bergerak ke bilah bilah
melalui beberapa siri injap. Injap tersebut digunakan untuk mengawal aliran dan arah
172
pergerakkan air. Pada permulaan, bilah bertindakbalas dengan air yang memasukki
turbin dan kemudian bahagian bawah bilah pula bertindakbalas dengan hentaman air
ketika mengalir keluar daripada turbin.
Ruang masuk
Ruang
Bilah
Ruang keluar
Injap pengawal
Rajah 6.13 (a) Lakaran skematik turbin
Francis
"# # %
%
%
Rajah 6.13 (b) Siri bilah turbin Francis
%
Turbin pemutar adalah turbin aliran paksi samada dengan bilah tetap atau bilah boleh
laras (turbin Kaplan) dimana ia boleh diubahsuai bergantung kepada keadaan operasi
yang dijalankan.
Turbin Kaplan telah dicipta pada tahun 1914 oleh Victor Kaplan
untuk kejatuhan air yang lebih sederhana ketika laluan air yang
lebih deras
Proses berlaku apabila bendalir mengalir masuk melalui injap masukkan bilah dan terus
ke rotor dengan membuat halaju tangen ketika berputar. Injap masukan bilah dan bilah
putaran boleh dilaraskan dengan menukarkan sudut untuk mendapatkan keluaran yang
optimum berdasarkan sesuatu operasi. Contohnya: operasi yang melibatkan kesesuaian
turus dan kadaralir berubah daripada musim ke musim melalui rotor yang pelbagai
Turbin Kaplan atau
Turbin Pemutar
takungan
janakuasa
paksi
bilah
Rajah 6.14 Turbin Kaplan
173
"'
%
5 %
Turbin dedenyut menghasilkan tenaga/kuasa dengan memesongkan, merendahkan dan
menghentikan pergerakkan air menggunakan bilah bilahnya. Turbin Pelton adalah yang
paling popular bagi turbin jenis ini.
"' " %
5 %
%
Turbin Dedenyut Pelton sesuai digunakan apabila turus tinggi dan kadar alir rendah.
Sekiranya tahap kejatuhan air (turus) adalah terlalu tinggi (> 200m) dimana semua
keupayaan tenaga bersamaan dengan kejatuhan air ditukarkan kepada tenaga kinetik
sebelum memasuki turbin.
Turbin dedenyut pelton dinamakan sempena dengan nama seorang
jurutera Amerika Lester Allen Pelton yang telah mendapat hak
ciptanya pada abad ke 19.
Turbin Pelton
Takungan
Empis air
Timba
Muncung
Jet air
Rajah 6.15: Turbin Pelton
Rajah 6.15 menunjukkan penggunaan turbin di empangan dimana tenaga pada bendalir
yang memasuki rotor adalah dalam bentuk tenaga kinetik yang terhasil daripada
pengaliran terus yang melalui pada bilah atau pendesak ditukarkan kepada kerja
mekanikal terus kepada aci. Kebiasaannya 2 atau lebih jet air dengan satu roda pemutar
digunakan untuk meningkatkan kuasa pada pemutar aci yang mendatar, tetapi ada juga
susunan jet yang pelbagai digunakan bersama turbin aci menegak.
174
Rajah 6.16 : Timba turbin Pelton
Hentaman jet daripada muncung ( ** ) secara tangen ditujukan kepada sirip tengah
timba turbin Pelton seperti di Rajah 7.16 semasa proses kerja turbin Pelton dijalankan.
Timba timba tersebut dipasang bersekali dengan satu roda ataupun berasingan.
"*
(
+(
%
Jadual 6.3 menunjukkan ciri – ciri umum bagi turbin tindakbalas dan turbin dedenyut.
1
2
3
4
5
6
7
8
Jadual 6.3 Simbol umum bagi persamaan pam
Simbol
Penerangan
V
halaju mutlak bendalir
v
halaju nisbah bendalir pada bilah
u
2π $
halaju sisian pada bilah =
60
r
jejari
N
pusingan per minit
α
sudut berdasarkan halaju mutlak dengan arah halaju sisian
positif
β
sudut berdasarkan halaju nisbah dengan arah halaju sisian
negatif dan dikenali sebagai sudut bilah
= 180 − β
β'
9
Vu
10
Vf
11
b
= Vcos α dikenali sebagai halaju putar dan juga komponen
tangen pada halaju mutlak V dan
Vsin α dikenali sebagai halaju aliran dan juga komponen jejari
pada halaju mutlak V
lebar laluan aliran
175
Jadual 6.4: Ciri – ciri turbin
%6
1
&
7
100 1760
30 450
75 1000
70 1000
8 – 30
40 – 420
105
600
(
Turus H (m)
Halaju N (rpm)
Halaju tentu, Ns
Kuasa, Pm (MW)
8
9
6
1.5 75
70 600
380 – 950
125
Persamaan 6.29 hingga persamaan 6.29 adalah persamaan umum bagi turbin dan ketika
masuk (1) dan keluar (2) iaitu:
Kadaralir (
"
)
Q = V1A1 = V2A2
= 2π 1 1'1 sin α1 = 2π 2 2'2 sin α 2
= 2π 1 1' 1 = 2π 2 2' 2
(6.29)
Daya kilas (% & ) adalah daya yang diwujudkan oleh tindakbalas cecair dengan bilah
% = ρ ( 1'1 cos α1 − 2'2 cos α 2 )
% = ρ ( 1' 1 − 2' 2 )
(6.30)
Turus ("
), He = turus yang dihasilkan oleh turbin
)=γ
= ρ (' 1 1 − ' 2 2 )
' − '
= 1 1 2 2
)
Kecekapan hidraulik (
η =
η =
(6.31)
turus tenaga yang hilang
turus tenaga bersih
1' 1 − 2' 2
=
(6.32)
dimana turus bersih (H) adalah perbezaan turus tenaga pada hulu turbin dan hilir
(
).
Kuasa ()
ke aci ( "
) yang terbahagi kepada 2 iaitu kuasa keluaran (kuasa yang dipindahkan
) iaitu
) atau ) = %ω = ρ (' 1 1 − ' 2 2 )
(6.33)
dan kuasa masukan (kuasa air)
) atau ) = ρ
176
(6.34)
Kecekapan keseluruhan (kuasa aci )
η =
=
100
kuasa air )
) ialah:
(6.35)
Kelajuan tentu ditakrifkan sebagai kelajuan turbin yang boleh menggunakan seunit
isipadu/saat cecair untuk turus seunit satu meter ketika beroperasi dengan kecekapan
maksimum.
$ )
(6.36)
$ = 5 / 4 unit 1/ 2 .−3 / 4% −3 / 2
[
",
]
%
%
%
Rajah 7.17 menunjukkan vektor bagi aliran masuk dan keluar bagi timba (
)
turbin Pelton.
Vu1
u
V1
Masukan
Keluaran
Rajah 7.17 Vektor halaju bagi Timba Turbin Pelton
Terdapat persamaan yang khas untuk turbin Pelton yang berkaitan dengan timbanya
(
).
Halaju jet, V1 bersamaan dengan halaju mutlak dari kesan hentaman iaitu:
'1 =
2
dimana pekali halaju, Cv ≈ 0.95 to 0.98
Halaju relatif pada masukkan,
1 = ('1 − )
dimana = Halaju sisian pada roda pusingan
Halaju relatif pada keluaran,
= 1
2 = '2 −
dimana k adalah pemalar bagi kehilangan pusingan. Jika k = 1
maka v1 = v2
(6.37)
(6.38)
(6.39)
177
Sudut timba, β bersamaan dengan sudut balikan jet dan biasanya sudut mencapah
β’ = (180 – β)
(6.40)
Daya (
) adalah daya yang bertindak terhadap timba dalam arah –x
= ρ ('1 − )(1 + cos β ' )
Kuasa dipindahkan kepada timba (kuasa mekanikal)
) = ρ ('1 − )(1 + cos β ' )
(6.41)
(6.42)
Turus yang dihasilkan,
=
1
('1 − )(1 + cos β ' )
(6.43)
Kecekapan hidraulik,
η =
(6.44)
Faktor halaju/Nisbah halaju
halaju sisi
=
halaju unggul
2
dimana φ berada didalam julat 0.43 to 0.47
φ=
"
(6.45)
%
Model biasa digunakan dalam mengkaji atau merekabentuk turbin. Keserupaan
geometri adalah asas yang terpenting dalam membandingkan antara 2 turbin
$ ( $ (
=
(6.46)
2
1
No 1 dan 2 boleh menjadi m dan p iaitu
=
$( 3 $ ( 3
model (m) dan prototaip (p)
2
1
) )
5 3 = 5 3
( $ ( $
2
1
Halaju tentu juga ditunjukkan sebagai
$
$ 1 =
178
) $
=
1
5/4
)
=$
2
5/4
(6.47)
(6.48)
(6.49)
2
".
(a)
%%
%
Kelajuan unit
Kelajuan unit, Nu adalah kelajuan bagi turbin yang serupa dari segi geometri dan
beroperasi pada turus 1 m
$
(6.50)
$ =
Jika dibuat perbandingan antara 2 turbin yang geometrinya sama maka
N1 α H11/2
N2 α H21/2
$1
$2
Oleh itu,
=
1
(b)
(6.51)
2
Kadar alir Unit
Kadar alir Unit, Qu adalah kadar alir bagi turbin yang serupa dari segi geometri dan
beroperasi pada turus 1 m
=
(6.52)
Jika dibuat perbandingan antara 2 turbin yang geometrinya sama maka
Q1 α H11/2
Q2 α H21/2
Oleh itu,
=
1
1
(c)
2
(6.53)
2
Kuasa Unit
Kuasa Unit, Pu ialah kuasa bagi turbin yang serupa dari segi geometrik dan beroperasi
pada turus 1 m
)
) = 3/ 2
(6.54)
Jika dibuat perbandingan antara 2 turbin yang geometrinya sama maka
P1 α H13/2
P2 α H23/2
Oleh itu, P1 = P2 (H1/H2 )3/2
(6.55)
179
(1 12 *4
Turbin dedenyut Pelton telah dipasang dengan sepasang juntaian untuk mencapai 3000
kW ketika turus bersih 270 m. Jika kecekapan keseluruhan adalah 0.9, kirakan
(i) diameter nozel
(ii) Nisbah halaju
(iii) Halaju tentu (Cv = 0.95)
3
P/2 roda = 3000 kW maka kuasa per roda = 3000 / 2 = 1500 kW
H = 270 m , η 0 = 0.9 , Cv = 0.95
(i)
Kuasa ) = η 0γ
1500 = 0.9 9.81
Q = 0.629 m3/s
270
Halaju jet, V1 =
2
= 0.95 2 9.81 270 = 69.14 m/s
Untuk muncung,
=
π
2
4
0.629 =
'1
π
2
69.14
4
d = 0.11 6 m = 11.6 cm
(ii)
Halaju sisian bagi timba,
π($
=
60
π 1.5 400
=
= 31.42 /
60
Nisbah halaju
φ=
(iii)
31.42
= 0.432
2 9.81 270
Halaju tentu
$ =
180
2
=
$ )
5/4
=
400 1500
= 14.15
2705 / 4
(1 12 ,4
Turbin Pelton beroperasi pada turus 45 m dengan kadaralir 0.8 m3/s. Halaju timba
diberi sebagai 14 m/s. Kirakan kecekapan keseluruhan dan kuasa yang terhasil apabila
pancutan jet mengenai timba pada sudut 165o. Andaikan pekali halaju = 0.985 dan
kecekapan mekanikal = 0.95
3
4
H = 45 m, Q = 0.8 m3/s, u = 14 m/s, β = 165 , Cv = 0.985, η =0.95, β ' = 15o
Kuasa
= 0.985 2(9.81)(45) = 29.27 /
2
) = %ω = ρ
('1 − )(1 + cos β ' )
) = 1000(0.8)(14)(29.27 − 14)(1 + cos 15) = 336.9 /
Kecekapan
η =
(1 12
)
336.9 0.95
=
= 0.906 = 90.6%
) 9810 0.8 45
4
Sebuah turbin mencapai kuasa sebanyak 8,000 kW apabila beroperasi pada 100 rpm
dan ketika itu turus turbin tersebut adalah 30 m. Jika turus turbin menurun sebanyak 18
m, kirakan halaju dan kuasa yang dicapai oleh turbin tersebut.
3
Ketika H1 = 30 maka P1 = 8,000 kW, N1 =100 rpm
P2?
N2?
Ketika H2 = 18
Bagi keserupaan geometri,
$
Kelajuan unit $ =
$1
=
$2
1
2
$ 2 = $1
2
/
1
= 100 18 / 30
$ 2 = 77.46
181
Kuasa unit
) =
)
)1
=
3/ 2
3/ 2
1
)2 = )1
"/
!
)2
3/ 2
2
2
1
3/ 2
18
= 8000
30
%
3/ 2
= 3718 /
(
%
Kecekapan, %
Jenis turbin
Dedenyut Pelton
Francis
Pemutar
Kaplan
Peratusan kadar keluaran
Rajah 6.18 Peratus Kecekapan Turbin
Di dalam memilih turbin yang sesuai digunakan untuk sesuatu operasi, peratus
kecekapan dalam menghasilkan kadar keluaran yang maksimum amat diperlukan.
Walaupun terdapat perbezaan proses kerja, kecekapan turbin dapat dilakarkan seperti di
Rajah 7.18 yang menunjukan kadar keluaran melawan kecekapan dalam bentuk
peratus. Turbin Pelton dapat menghasilkan kecekapan maksimum 89% pada kadar
keluaran 40% hingga 70% sebelum berlaku penurunan kecekapan sebanyak 2% 3%.
Turbin Francis dan Pemutar menghasilkan kecekapan maksimum melebihi 90% pada
kadar keluaran 90% sebelum jatuh sebanyak 90% pada kadar keluaran 100%. Namun
begitu, turbin Francis dapat menghasilkan kecekapan 15% lebih baik daripada turbin
Pemutar pada keluaran 20%. Turbin Kaplan dapat menghasilkan kecekapan maksimum
pada keluaran 30% 90% dengan melebihi 90%. Turbin ini akan yang paling tinggi
182
tahap kecekapannya walaupun agak lambat mencapai maksimum jika dibandingkan
dengan turbin Pelton.
"0
!!
Peronggaan adalah fenomena yang terjadi ketika cecair mendidih pada suhu normal
apabila tekanan statik menjadi cukup rendah. Peronggaan boleh terjadi di bahagian
masuk pam dan di bahagian keluar turbin di persekitaran bilah yang bergerak. Tindakan
dinamik bilah menyebabkan tekanan statik berkurangan secara tempatan dalam deretan
bilah yang tekanannya sememangnya telah berada dibawah tekanan atmosfera.
Fenomena ini dipercepatkan oleh wujudnya gas terlarut yang dilepaskan dengan satu
pengurangan tekanan. Contohnya sebuah pam empar yang beroperasi pada kelajuan
dan muatan malar. Apabila turus tekanan masuk dikurangkan secara mantap, satu titik
akan dicapai ketika serangkaian buih wap yang kecil dan melekat pada permukaan
pepejal. Ini dinamakan insepsi peronggaan dan berterusan didalam kawasan bertekanan
rendah. Buih tadi akan bergerak ke kawasan bertekanan tinggi lalu berpecah.
Kondensasi akan terjadi secara serta merta dimana cecair disekeliling buih akan
memukul dinding atau cecair berhampiran. Gelombang tekanan yang dijanakan oleh
buih yang berpecah akan menaikkan aras tekanan secara serta merta dipersekitaran dan
terhenti. Proses ini boleh berulang dan kekerapan kejadian yang berlaku boleh setinggi
25 kHz. Tindakan berulang buih tersebut menyebabkan hakisan peronggan berlaku dan
mengurangkan/menurunkan kecekapan sesebuah pam atau turbin dalam melakukan
operasi kerja dan kerosakan bahan dalaman mesin.
183
%
1) Sebuah pam empar berupaya menaikkan air setinggi 37 m (turus sebenar) dan
kecekapan manometer pam ini ialah 0.80. Paip hantaran dan paip penyedutan
adalah berdiameter sama, iaitu 15 cm. Diameter pendorong 0
dibahagian keluar ialah 38 cm dan lebarnya 2.5 cm. Sudut bilah di bahagian
keluar ialah 25º. Untuk menaikkan air setinggi itu, pam diputarkan selaju 1320
rpm. Jika penyusutan seluruh paip akibat geseran ialah 9.12 m, tentukan kadar
luahan pam.
2) Paip yang berdiameter 15 cm (4f = 0.02) dengan panjang 300m menerima air
yang melaluinya dari tangki simpanan air serta aras ketinggian air dipermukaan
adalah 150m dan aras kedudukan nozel adalah 90m. Jet daripada nozel
digunakan untuk menggerakkan turbin impul yang kecil. Jika turus kurang
daripada nozel/muncung boleh mangganggap 0.04V1²/2g, dapatkan diameter jet
tersebut untuk memperolehi nilai maksimum kuasa jet itu. Abaikan turus yang
kurang apabila memasuki paip ke tangki simpanan. Kirakan kuasa jet tersebut.
3) Sebuah pam empar meluahkan 7m³/min air pada putaran 1200 rpm. Berupay
menaikan air setinggi 16 m. Ukuran diameter pendorong dan luas bahagian
aliran dibahagian luar masing masing ialah 25 cm dan 465 cm². Air memasuki
pam tanpa pusaran dan jumlah kesusutan akibat geseran ialah 0.003V12 m, dan
V1 merupakan halaju mutlak aliran yang meninggalkan pendesak. Tentukan
sudut bilah di bahagian keluar jika bilah pendorong tersebut jenis melengkung
ke belakang.
4) Sebuah pam empar dengan ukuran diameter paip sedutan dan paip hantaran
yang sama iaitu 100 mm. Pam ini mempunyai turus sedut dan turus hantar
masing masing dengan ketinggian 2.5 m dan 28 m manakala panjang paip sedut
dan paip hantar masing masing ialah 3.5 m dan 22 m. Diberi diameter
pendorong ialah 30 cm dengan lebar 2 cm. Ketika pam diputar pada 1400 rpm,
air masuk secara jejarian dan sudut bilah pendesak pada bahagian keluar ialah
26º. Tentukan kadar aliran pam dan kuasa yang perlu untuk pam ini apabila
kecekapan hidraulik dan mekanik pam ini masing masing ialah 0.75 dan 0.88.
(Pekali geseran dalam setiap paip ialah = 0.025)
5) Sebuah pam menghantar 76 l/min air pada turus 12 m dengan putaran setinggi
3600 p.s.m apabila suhu air ialah 10 ºC. Tentukan suhu air yang diperlukan
untuk menghasilkan satu keserupaan lengkap, jika pam harus diputar selaju
1800 rpm. Tentukan juga kadar alir, turus dan juga laju tentu pada kedua dua
keadaan kerja tadi.
6) Sebuah pam dengan pendesak bergaris pusat 1.2 m menghantar 1.88 m³/s
apabila berputar selaju 200 p.s.m. Luas berkesan bahagian keluar ialah 7.75²
dengan bilahnya melengkung ke belakang pada sudut 26º. Tentukan putaran
184
terendah pam ini untuk menghasilkan turus setinggi 6m, jika nisbah garis
pusatnya 2. Tentukan juga kuasa yang perlu dan juga kecekapan manometernya.
7) Dua buah pam yang serupa iaitu pam A & B telah beroperasi dengan kelajuan
yang sama iaitu 60 rpm. Pam A mempunyai pendesak berdiameter 50 cm dan
mengalirkan air dengan kadar 0.4 m3/s dibawah turus bersih 50 cm. Kirakan
saiz pam B dan turus bersihnya jika pam tersebut mengalir air dengan kadar 0.3
m3/s.
8) Jika turbin Francis mengeluarkan 6700 kW pada 300 rpm dibawah turus bersih
40 m dengan kecekapan keseluruhan 80%. Berapakah nilai bagi pusingan
perminit dan kadaralir pada turbin yang sama dibawah turus bersih 50 m
didalam situasi homolog.
9) Turbin Pelton beroperasi pada turus 45 m dengan kadaralir 0.8 m3/s. Halaju
timba diberi sebagai 14 m/s. Kirakan kecekapan keseluruhan dan kuasa yang
terhasil apabila pancutan jet mengenai timba pada sudut 165o. Andaikan pekali
halaju = 0.985 dan kecekapan mekanikal = 0.95.
10) Semasa turbin Pelton berputar, hentaman jet telah memesongkan sudut
sebanyak 170o. Diberi halaju permulaan jet adalah 96 m/s dan halaju sisian pada
putaran adalah 44 m/s. Kirakan tenaga kinetik ketika jet meninggalkan timba
dan arah halaju mutlak pada keluaran timba.
11) Sebuah pam empar yang mempunyai pendesak yang berdiameter 30 cm dan
ram dibahagian luar adalah berjejarian. Jika halaju pusingan diberi sebanyak
1450 rpm, kirakan turus bersih yang dicapai. Andaikan kecekapan manometrik
adalah 0.82.
12) Turbin Francis berdiameter 3.0 m menghasilkan kuasa sebanyak 6760 kW pada
halaju 310 rpm dibawah turus bersih 47 m. Keserupaan geometrik model pada
nisbah 1: 10 telah diuji pada turus 9 m. Kirakan saiz, halaju, kadaralir dan kuasa
yang diperolehi daripada model? Berapakah halaju tentu model tersebut?
Andaikan kecekapan keseluruhan 0.85 pada model dan prototaip.
13) Sebuah turbin mencapai kuasa sebanyak 6,000 kW apabila beroperasi pada 80
rpm dan ketika itu turus turbin tersebut adalah 20 m. Jika turus turbin menurun
sebanyak 12 m, kirakan halaju dan kuasa yang dicapai oleh turbin tersebut.
14) Sebuah pam empar berputar pada 1450 put /min dan menghantar 95 liter/s
menentang turus setinggi 25 m. Garis pusat pendorong di titik keluar ialah 0.3
m dan luas aliran yang malar keseluruhannya ialah 0.022 m2. Sudut ram di
bahagian keluar ialah 230. Kehilangan turus tenaga di dalam pendesak dianggar
sebagai 1.1 m. Bebibir alur keluar dan paip penghantaran mempunyai garis
pusat 203 mm. Anggarkan kenaikan turus tekanan merentasi pendesak dan
185
kenaikan turus tekanan serta kehilangan turus tenaga di dalam selongsong.
Andaikan agihan halaju seragam.
186