ANALISA PERENCANAAN
4.2.3 Perencanaan Saluran Pembawa dan Pembuang
Saluran pembawa direncanakan mengunakan saluran terbuka yang terbuat dari pasangan batu. Kondisi Topografi daerah sepanjang saluran berupa bukit. Panjang saluran pembawa 1.150 m Penampang saluran direncanakan berupa saluran terbuka berbentuk trapesium dengan kemiringan 1:0.5. Saluran direncanakan terbuat dari pasangan batu. Lebar dan tinggi air disaluran diperoleh dengan mengunakan formula Manning berikut; Saluran pembawa direncanakan mengunakan saluran terbuka yang terbuat dari pasangan batu. Kondisi Topografi daerah sepanjang saluran berupa bukit. Panjang saluran pembawa 1.150 m Penampang saluran direncanakan berupa saluran terbuka berbentuk trapesium dengan kemiringan 1:0.5. Saluran direncanakan terbuat dari pasangan batu. Lebar dan tinggi air disaluran diperoleh dengan mengunakan formula Manning berikut;
Untuk mencegah tumbuhnya vegertasi dan aliran yang terlalu deras di Bak penenang maka kecepatan air disaluran harus rendah dan dijaga berkisar antara
0.3 – 2 m/s.
Tabel 4.6 Nilai Kecepatan Saluran Pembawa NO
Tipe Saluran Kecepatan maksimum Kecepatan Minimum
(m/s)
(m/s)
1 Soil
2 Stone Masonry
Kriteria untuk mendapatkan penampang saluran yang paling ekonomis maka haruslah keliling basah saluran (P) bernilai minimium atau;
Dimana “h” adalah tinggi air disaluran. Untuk saluran berbentuk trapesium maka proses differensialisasi diatas akan menghasilkan aturan, ” panjang sisi miring = ½ kali lebar atas trapesium dari penampang saluran.Proses dan perhitungan saluran diberikan pada tabel dibawah ini;
Tabel 4.7 Perhitungan Saluran Pembawa dan Pembuang (Saluran Terbuka)
Resume Hasil Perhitungan
Tinggi air salura
1 m tinggi jagaan
0.25 Tinggi total saluran
1.25 Lebar dasar saluran
Lebar atas saluran m
3.35 Slop horizontal dinding saluran
Panjang sisi miring saluran m
Rasio sisi miring dengan lebar atas saluran m
4.2.4 Bak Penenang
Bak Penenang direncanakan untuk mereduksi arus turbin sebelum aliran masuk kedalam pipa pesat (penstock). Kolam penenang juga berfungsi sebagai saringan akhir sebelum air masuk kedalam penstock dan akhirnya masuk turbin. Beberapa kriteria yang perlu diperhatikan dalam perhitungan dimensi bak penenang mengacu ke teori yang ada di tunjukan sebagai berikut:
Tabel 4.8 Perhitungan Desain Bak Penenang
Perhitungan Desain Bak Penenang
Parameter
Data Formula
Nilai
Diameter Penstock
D 1.92 m Debid desain
D=(1.273*Q/Vop)½
Perencanaan
Q 8.1 m3/s
Jarak dari sisi atas penstock ke muka air
Untuk penstock yang searah aliran
y 3.31 m untuk penstock yang tegak lurus
y=(0.69+Q)/(d ⅕)
y 3.38 m aliran
y=(0.89+Q)/(d ⅕) d>1X diameter
d 1.50 m Jarak minimum
min Jarak yang digunakan
penstock
3.38 m
Desain dimensi bak
Kapasitas bak penenang
V 81.00 m3 kedalaman air
Vol = 10*Q
H 5.90 m luas permukaan yang diperlukan
H= y+d+0.6
A 13.73 m2 Lebar bak penenang
A=Vol/H
Bmin 12 Lebar bak penenang yang di gunakan Direncanakan
B> 3 x Lebar saluran
L 12 m Panjang Bak Penenang yang
L 36 m digunakan
Direncanakan
Kecepatan air dibak
V=Q/(BxH)
V 0.11 m/s
Resume hasil perhitungan
Lebar bak 12 m Panjang Bak
36 m Tinggi Bak
6.20 m Tinngi pelimpah
0.3 m tinggi air di bak
5.90 m Jarak sisi atas penstock muka air
0.3 m
4.3 Pipa Pesat (Penstock)
Ketebalan pipa perlu ditambah dengan faktor korosi (fk). Ketebalan korosi yang diizinkan untuk pipa pesat 1-3 mm, sehingga tebal pipa adalah ; t min = t + fk Standar Tebal minimum pipa pesat adalah
Sampai dengan diameter 0.8 m, tebal minimum adalah 5 mm
Sampai dengan diameter 1.5 m, tebal minimum adalah 6 mm
Sampai dengan diameter 2.1 m, tebal minimum adalah 12 mm Menurut standar ASME ketebalan minimum pipa dapat dihitung dengan mengunakan hubungan 2.5 kali diameter pipa ditambah 1.2 mm: tmin =2.5D+1.2. Standar minimum yang diambil adalah 12 mm
Table 4.9 Tabel perhitungan kecepatan aliran dalam pipa penstock
Perhitungan kecepatan aliran dalam penstock
Debit Rencana(Q)
8.1 m3/s Luas Penampang (A)
m Kecepatan air dipenstock (Vop)
2.80 m/s
Tabel 4.10 Tabel Perencanaan Pipa Pesat
Perencanaan pipa pesat (penstock)
Parameter
Data Formula
Nilai
Panjang Pipa
LP 40 m Diameter
Direncanakan
D 1.92 m Ketebalan minimum
D=(1.273*Q/Vop)½
t 6 mm Beda Ketinngian
t = 2.5*D+1.2
HP 16 m Sudut rata rata penstock
Direncanakan
Ap=HP/LP
Ap 0.40
Menurut standar ASME
Ketebalan minimum
t = 2.5*D+1.2
t 1 mm
Pada pipa pipa yang tersedia secara komersial kekasaran tidak begitu seragam dan terdefinisi dengan baik seperti pada pipa pipa dengan kekasaran artificial yang digunakan nikuradse. Namun demikian, sebuah ukuran kekasaran relative efektif dari pipa pipa tersebut tetap mungkin didapatkan dengan demikian dapat diperoleh factor gesekan. Nilai nilai kekasaran yang khas untuk berbagai permukaan pipa deiberikan pada table dibawah ini :
Tabel 4.11 Tabel Kekasaran Ekivalen Untuk Pipa Baru
Tabel Kekasaran Ekivalen Untuk Pipa Baru [(mody reff.7 dan Colebrook (reff.8)]
kekasaran ekivalen,ɛ
Paku baja
0.9-9.0 beton
0.003-0.03
0.3-3.0 kayu diamplas
0.001-0.01
0.18-0.9 besi tuang
0.0006-0.003
0.26 besi galvanis
0.15 besi komesial/tempa
0.45 pipa saluran
0.0015 plastik,gelas
0.0 halus Sumber : Mekanika Fluida BruceR.Munson Jilid 2
0.0 halus
Dengan diketahui variable dalam perencanaan dapat di tentukan penurunan tekanan dalam pipa sepanjang 40 m dan menentukan jenis aliran apakah laminar dan turbulen.
Table 4.11Tabel perhitungan head loses,jenis aliran
Perhitungan head losses
Panjang pipa
40 m Kecepatan aliran dalam pipa
Lp
V 2.80 m²/s Luas penampang
A 2.89 m2 debit in penstok
8.1 m³/s Diameter penstok 2
JENIS PIPA KOMERSIL
faktor kekasaran e 0.00085 m Diameter penstok
D 6.299 feet Head losess
0.10 m e/D
5x10 ⁶ kekasaran relatif
Re =p*V*D/μ
f 0.012 Penurunan Tekanan sepanjang pipa
ΔP =f*l/D*1/2*ρV² 1.21 kPa loses belokan
0.25 Total losess
kl=(hl*2g)/V²
Hltot=kl+ΔP+hl
4.4 Perencanaan Fasilitas Elektrikal – Mekanikal
4.4.1 Perencanaan Turbin
Turbin air berperan untuk mengubah energi air (energy potensial, tekanan dan energy kinetic ) menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros turbin. Putaran poros tadi akan diubah oleh generator menjadi tenaga listrik. Ada banyak pilihan turbin yang digunakan untuk kondisi tertentu nya. Secara umum biasanya ada dua jenis turbin yaitu turbin impulse dan turbin reaksi. Untuk mendapatkan pilihan yang tepat dari jenis turbin yang akan digunakan perlu ditetapkan kriteria sebagai berikut yaitu : Turbin air berperan untuk mengubah energi air (energy potensial, tekanan dan energy kinetic ) menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros turbin. Putaran poros tadi akan diubah oleh generator menjadi tenaga listrik. Ada banyak pilihan turbin yang digunakan untuk kondisi tertentu nya. Secara umum biasanya ada dua jenis turbin yaitu turbin impulse dan turbin reaksi. Untuk mendapatkan pilihan yang tepat dari jenis turbin yang akan digunakan perlu ditetapkan kriteria sebagai berikut yaitu :
Dari data pengukuran lapangan diperoleh head aktual 15 m dan debit Q =
8.1 m 3 /s. Berdasarkan data tersebut pilihan turbin yang mungkin dapat dilihat pada tabel dibawah ini.
Tabel 4.12 Jenis Turbin berdasarkan head
Jenis Turbin Range Ketinggian/head ( m)
Kaplan dan propeler 2 < H < 40 Francis
10 < H < 350 Pelton
50 < H < 1300 Banki/Cross Flow
3 < H < 250 Turgo
3 < H < 2500
Penentuan jenis turbin dapat pula berdasarkan putaran spesifik (ns). Kecepatan spesifik merupakan suatu istilah yang dipakai untuk mengelompokan turbin-turbin atas dasar unjuk kerja dan ukuran perimbangnya. Rumus kecepatan spesifik yang dipergunakan adalah:
Dimana n adalah putaran turbin (Rpm), Q = debit (m3/s) dan Head = tinggi jatuh air (m). Putaran adalah variable lain yang perlu dipertimbangkan dalam pemilihan turbin. Putaran turbin harus disesuaikan dengan putaran Dimana n adalah putaran turbin (Rpm), Q = debit (m3/s) dan Head = tinggi jatuh air (m). Putaran adalah variable lain yang perlu dipertimbangkan dalam pemilihan turbin. Putaran turbin harus disesuaikan dengan putaran
Sumber : Fritz Dietzel “Turbin Pompa dan Kompresor 1993 Gambar 4.4. Perbandingan Putaran Spesifik dengan Tinggi jatuh air.
Setelah dilakukan perhitungan berdasarkan data dan litelatur yang di pakai maka didapat hasil perhitungan untuk turbin sebagai berikut: Table 4.13 Hasil Perencanaan Turbin
DAYA YANG DI BANGKITKAN
Debid
8.10 m3/s Head
H 15.00 m Luas sungai
A 2.89 m kecepatan aliran
V 2.80 m faktor koreksi
0.90 Efisiensi Turbin
0.85 % Putaran Turbin
Eft
300 rpm Grafitasi
g 9.81 m/s DAYA AIR
1.19 MW DAYA TURBIN
Pa
1.01 MW kedalaman Sungai
Pt
BERDASARKAN TABEL BUKU (Fritz Dietzel) translate Dakso Sriyono
3.14 U2a*
1.17 C2*
tabel
0.32 U2i*
tabel
0.47 Faktor penyempitan
tabel
Data turbin
Kecepatan Spesifik Ns 112.02 rpm Kecepatan aliran dalam penstock
V 2.80 m/s Kecepatan Tangensial Roda turbin sisi masuk
3.14 m/s Kecepatan Tangensial Roda turbin sisi keluar
U1
3.28 m/s Diameter Turbin
U2a
D1 0.20 Φ Kecepatan aliran masuk roda turbin
Cu1 39.86 m/s Aksial Komponen
0.76 m/s kecepatan masuk
Cm1
C1 39.86 m/s sudut kecepatan masuk
0.02 m/s sudut α
Si α
1.09 sudut b
18.95 m jumlah Sudu
W1
DATA PADA SISI KELEUAR TURBIN
U2i 1.32 m/s Kecepatan tangensial pada roda turbin sisi keluar
Diameter keluar roda turbin D2i 0.08 m Kecepatan tangensial pada roda turbin sisi keluar
C2 0.90 m/s sisi keluar roda turbin
U2a 3.28 m/s Diameter keluar roda turbin
D2a 0.21 m Diameter rata rata
D2 0.15 m dari U2 rata rata
U2 2.30 m w2²
1.59 m w2a
1.59 m
Dari hasil analisa perencanaan di atas, tipe turbin dapat di tentukan berdasarkan kecepatan spesifik. Untuk tipe turbin yang digunakan yaitu “Turbin Francis ” berdasarkan data perencanaan debid (Q), head/tingi jatuh air (h), kecepatan aliran (V) dan kecepatan spesifik turbin (ns).
4.5. Perencanaan Poros
Sebagaimana yang telah dijelaskan di atas bahwa poros turbin berfungsi untuk memindahkan daya dari putaran turbin. Beban yang diterima oleh poros turbin antara lain beban puntir dan beban lentur, sehingga dengan adanya beban ini maka akan terjadi tegangan puntir dan tegangan lentur sebagai akibat dari adanya momen puntir dan momen lentur (Sularso, 1994 17).
Berdasarkan data perencanaan pada Tabel 4.14 dengan di tetapkanya debid (Q) serta putaran (n) sehingga perencanaan poros untuk sebuah turbin dapat dilakukan :
Diketahui : Daya (P) : 1 MW = 1000 kW Putaran (n) : 300 rpm
Maka untuk meneruskan daya dan putaran ini, terlebih dahulu dihitung
daya perencanaannya (P d ).
P d =f c P dimana : P d = daya perencanaan (kW)
f c = faktor koreksi P = daya masukan (kW) Daya mesin (P) merupakan daya nominal output dari motor penggerak, daya inilah yang ditransmisikan melalui poros dengan putaran tertentu. Tabel 4.14. Jenis-jenis Faktor Koreksi Berdasarkan Daya yang akan Ditransmisikan
Daya Yang Akan Ditransmisikan
Daya rata-rata
Daya maximum
Daya Normal
(Sumber: Sularso,Kiyokatsu Suga, “ Dasar Perencanaan Dan Pemilihan Elemen Mesin “)
Untuk perancangan poros ini diambil daya maksimum sebagai daya rencana dengan faktor koreksi sebesar f c = 1,2 Harga ini diambil dengan Untuk perancangan poros ini diambil daya maksimum sebagai daya rencana dengan faktor koreksi sebesar f c = 1,2 Harga ini diambil dengan
P d = 1,2 x 1000 kW = 1,200 kW = 1,200,000 W
4.5.1 Pemilihan Bahan Poros Penggerak
Pemilihan suatu bahan yang akan digunakan dapat ditentukan dengan menghitung momen puntir (momen torsi rencana) yang dialami poros. Momen puntir rencana adalah:
Besarnya momen puntir yang dikerjakan pada poros dapat dihitung dari
60 P
30 P d M p
n dimana: M p = momen puntir (N.m)
P d = daya rencana (W) n = putaran (rpm). Untuk daya perencana, P d = 1,090,000 W dan putaran, n = 300 rpm maka momen puntirnya adalah :
30 P d 30 1,090,000
M p 32126.475 Nm Dalam pemilihan bahan perlu diperhatikan beberapa hal seperti pada tabel
berikut, dan kita dapat menyesuaikan dengan yang kita butuhkan.
Tabel 4.15. Batang baja karbon yang difinis dingin (Standar JIS)
Kekerasan Perlakuan Diameter Lambang
(N/mm 2 )
23 Dilunakkan kurang
S35C-D
Tabel 4.16. Batang baja karbon yang difinis dingin (Lanjutan)
Lamba Perlaku Diamet Kekuatan Kekerasan ng
an
2 H R C H B Panas
(N/mm )
(H R B)
S45C-D Dilunak
(89) – 27 - kan
- Dilunak kurang
S55C-D Dilunak
- Dilunak kurang
(Sularso, “Dasar -dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin, Pradya Pramita, Jakarta 1994)
Dalam pemilihan bahan perlu diketahui tegangan izinnya, yang dapat dihitung dengan rumus:
S f1 S f2
dimana : 2 τ
a = tegangan geser izin (N/mm )
b = kekuatan tarik bahan (N/mm )
S f1 = faktor keamanan yang tergantung pada jenis bahan, dimana untuk bahan S-C besarnya : 6,0.
S f2 = faktor keamanan yang bergantung dari bentuk poros, dimana harganya berkisar antara 1,3 – 3,0.
Untuk S f2 diambil sebesar 1.4 maka tegangan geser izin bahan S55C-D (AISI 1045), maka tegangan geser izin adalah:
12 . 02 N / mm
4.5.2 Perencanaan diameter poros
Perencanaan untuk diameter poros dapat diperoleh dari rumus:
dimana : d p = diameter poros (mm)
a = tegangan geser izin (N/mm )
K t = faktor koreksi tumbukan, harganya berkisar 1,5 – 3,0
C b = faktor koreksi untuk terjadinya kemungkinan terjadinya beban lentur, dalam perencanaan ini diambil 1,2-2,2 karena diperkirakan tidak akan terjadi beban lentur
M p = momen puntir yang ditransmisikan (Nm).
Dalam hal ini faktor koreksi tumbukan pada range 1,5 – 3,0 diambil K t = 1,5. Dan dalam mekanisme ini beban lentur yang terjadi kemungkinan adalah kecil karena poros adalah relatif pendek, sehingga faktor koreksi untuk beban
lentur C b = 1,3 , dan momen puntir yang terjadi M p 32126.475 Nm, Tabel 4.17. Perencanaan Poros Turbin
Perencanaan Diameter Poros
Daya
1.008.771 watt Putaran
Pd
rpm Diameter Poros
mm faktor koreksi
Dp
fc 1.0 Momen puntir
Mp
32.126,475 N/mm2 kekuatan tarik 2 b 101 N/mm
Faktor keamanan
6 Faktor keamanan
tegangan geser terjadi 2 τa 12,02 N/mm momen puntir
kt
momen lentur
cb 1,30
tegangan izin geser
tg
N/mm2
Hasil diameter poros yang dirancang harus diuji kekuatannya. Pemeriksaan dapat dilakukan dengan memeriksa tegangan geser yang terjadi akibat tegangan puntir yang dialami poros. Jika tegangan geser lebih besar dari tegangan geser izin dari bahan tersebut, maka perancangan akan dikatakan gagal.
Besar tegangan geser yang timbul pada poros adalah :
16 . τ Mp
dimana : 2 τ
g = tegangan geser akibat momen puntir (N/mm ) p = momen puntir yang ditransmisikan (Nm) M
= diameter poros (mm) d
Untuk momen puntir, M p 32,126.475 Nm, dan diameter poros,d p = 283.79 mm, maka perhitungan tegangan gesernya adalah sebagai berikut:
3 = 0.00731 N/mm
Menurut hasil yang diperoleh dari perhitungan diatas, terlihat bahwa tegangan geser yang terjadi adalah lebih kecil daripada tegangan geser yang diizinkan τ g < τ a ( 2
a 12 . 02 / mm ). Dengan hasil ini maka dapat disimpulkan bahwa poros ini aman untuk digunakan pada sproket yang dirancang untuk memindahkan daya dan putaran yang telah ditentukan.
Gaya tangensial poros dapat dihitung dari: M p
F = Gaya tangensial (N) M p = Momen puntir (Nm)
d p = Diameter poros (mm)
S f2 = Faktor keamanan yang tergantung pada bentuk poros dimana berkisar antara 1,3-3,0.
Kita ambil S f2 = 1,4, Maka:
32126.47 F=
283 . 79 / 1 , 4 = 122.29 N
Diperoleh gaya tangensial poros tersebut 122.29 N.
4.6. Perencanaan Generator
Generator berfungsi mengkonversikan energy mekanik yang ditransfer oleh turbin melalui transmisi mekanik menjadi energi listrik. Ada dua jenis generator yang dapat digunakan untuk PLTM, yaitu Generator Sinkron dan generator induksi. Generator Sinkron pengunaanya sudah demikian luas pada PLTM, sedangkan generator induksi masih baru berkembang sehingga belum begitu luas diketahui pengoperasiannya oleh masyarakat. Didasarkan pertimbangan tersebut maka dalam perencaanaan ini digunakan generator sinkron
dengan frekwensi 50 Hz dan Jumlah Pole (P)=12, putaran generator (n g ) dapat dihitung ;
Tabel 4.18 Tabel Penentuan Jumlah Kutub (pole) dan Frequenzi
Jumlah Kutub
50 ( Hz )
60 ( Hz )
Putaran (rpm)
Putaran (rpm)
Daya listrik yang dhasilkan dari generator dihitung berdasarkan daya turbin (1.008 kW) dikalikan dengan faktor efisiensi transmisi dan efisiensi generator dengan mengunakan hubungan sebagai berikut :
Direncanakan efisensi transmisi dan efisiensi generator 95% dan 90% sehingga daya output generator adalah sebagai berikut;
=1008.771*0,9*095= 862.49 kW =0.862MW Asumsikan faktor daya =0.8 , maka kVA generator dapat ditentukan
sebagai berikut yaitu;
Tabel 4.19 Hasil perhitungan Perencanaan