PRESTASI POMPA SENTRIFUGAL DENGAN IMPELER SETENGAH TERTUTUP SEBAGAI TURBIN

No : 744/ TA / FST-USD / TM / Januari / 2007

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Jurusan Teknik Mesin

Disusun oleh : Jimmy Norel NIM : 015214066 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA

THE PERFORMANCE OF A CENTRIFUGAL PUMP WITH HALF-CLOSED IMPELLER AS TURBINE

No : 744/ TA / FST-USD / TM / Januari / 2007

FINAL PROJECT

Presented as Partial Fulfilment of the Requirements To Obtain the Sarjana Teknik Degree

In Mechanical Engineering

By : Jimmy Norel Student Number: 015214066 MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2007

INTISARI

Penggunaan turbin air pada daerah kerja dibawah 3 kW tidak banyak dan secara ekonomis kurang menguntungkan. Disisi lain semua tipe pompa sentrifugal dari jenis pompa aliran radial sampai dengan aliran aksial berpotensi untuk dioprasikan sebagai turbin air. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui karakteristik dari salah satu pompa sentrifugal yang menggunakan impeler setengah tertutup yang banyak beredar dipasaran sebagai turbin air.

Penelitian ini dilakukan dengan cara memvariasikan kapasitas aliran pompa sebagai turbin pada 6 variasi. Pada penelitian ini yang menjadi sumber adalah pompa dengan kapasitas aliran dan Head yang lebih besar dari pada kapasitas dan head pompa sebagai turbin yang diuji. Dengan menggunakan transmisi sabuk, turbin di hubungkan dengan alternator. Parameter-parameter hasil pengukuran disetiap pengujian pompa sebagai turbin adalah kapasitas aliran yang melalui pompa sebagai turbin, tekanan pada sisi masuk dan keluar, putaran, tegangan dan arus alternator akibat pembebanan.

Dari pengujian tersebut daya yang dihasilkan dapat mencapai 42,5 watt, efisiensi dapat mencapai 10,1 % dan torsi pengereman dapat mencapai 0,21 Nm. Hasil pengolahan data pengujian dengan menggunakan metode ekstrapolasi menunjukkan bahwa, daya yang dihasilkan dapat mencapai 166,6 watt, efisiensi dapat mencapai angka 27,1 % dan torsi pengereman mencapai 0,85 Nm.

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat yang dianugerahkan kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Tugas Akhir ini adalah salah satu syarat dalam menyelesaikan studi di Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Terwujudnya penyelesaian penulisan Tugas Akhir ini tidak terlepas dari bantuan banyak pihak, oleh karena itu sudah sepantasnya penulis menghaturkan terima kasih kepada : 1.

Ir. Greg. Heliarko, SJ., SS., B.ST., M.A., M.Sc., selaku Dekan Fatultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

2. Budi Sugiarto, S.T., M.T, selaku Kepala Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3. Yosef Agung Cahyananta, S.T, M.T, selaku dosen pembimbing Tugas Akhir yang telah berkenan meluangkan waktu memberi bimbingan dan pengarahan sampai Tugas Akhir ini selesai.

4. Budi Setyahandana, S.T., M.T, selaku dosen pembimbing akademik selama penulis menempuh perkuliahan di Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

5. Ir. Y.B.Lukiyanto, M.T, selaku Kepala Laboratorium Energi Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

6. Ir. FX. Agus Unggul Santosa, selaku Kepala Laboratorium Manufaktur Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

7. Seluruh Dosen di Jurusan Teknik, Mesin Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta, yang telah memberi ilmu sebagai dasar yang sangat berguna bagi penulis.

8. Bapak Intan, bapak Ronny, bapak Martono dan Seluruh karyawan Laboratorium Jurusan Teknik Mesin maupun sekretariat Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah memberi bantuan informasi dan penggunaan peralatan yang digunakan. Dalam penyusunan Tugas Akhir ini penulis telah berusaha maksimal agar dapat menyelesaikan dengan baik. Namun penulis menyadari masih ada hal-hal yang jauh dari sempurna dalam penulisan Tugas Akhir ini. Untuk itu penulis dengan besar hati akan menerima saran dan kritik yang bersifat membangun dari pembaca demi perbaikan di kemudian hari.

Penulis

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ...........................................................................................i

HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ..............................................iii

HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................iv

HALAMAN PERNYATAAN ............................................................................ v

INTISARI ...........................................................................................................vi

KATA PENGANTAR ....................................................................................... vii

DAFTAR ISI .......................................................................................................ix

DAFTAR LAMBANG ......................................................................................xiii

DAFTAR TABEL .............................................................................................xiv

DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... xv

BAB I PENDAHULUAN ................................................................................... 1

1.1. LATARBELAKANG MASALAH ............................................................... 1

1.2. RUMUSAN MASALAH .............................................................................. 2

1.3. TUJUAN PENELITIAN ............................................................................... 3

1.4. BATASAN PENELITIAN ............................................................................ 3

BAB II DASAR TEORI...................................................................................... 4

2.1. TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................ 4

2.2. LANDASAN TEORI .................................................................................... 5

2.2.1. Aliran Zat Cair dan Bentuk Energinya ....................................................... 5

2.2.2. Persamaan Bernoulli Tentang Bentuk energi ............................................. 5

2.2.3. Daya Yang Masuk ke Turbin ..................................................................... 8

2.3. TURBIN AIR ................................................................................................ 19

2.3.1. Perkembangan Turbin Air ......................................................................... 19

2.3.2. Klasifikasi Turbin Air Menurut Cara Kerjanya ......................................... 20

2.3.2. Klasifikasi Turbin Air Menurut Daya Yang Dihasilkan ............................ 25

2.4. POMPA SENTRIFUGAL ............................................................................ 26

2.4.1. Prinsip Dasar Pompa Sentrifugal .............................................................. 26

2.4.2. Pemilihan Pompa Sentrifugal .................................................................... 28

2.4.3. Jenis-Jenis Pompa Sentrifugal ................................................................... 28 2.4.3 1. Pompa Sentrifugal Aliran Radial ........................................................... 28 2.4.3 2. Pompa Sentrifugal Aliran Diagonal ....................................................... 30 2.4.3 3. Pompa Sentrifugal Aliran Aksial ........................................................... 31

2.5. POMPA SEBAGAI TURBIN ...................................................................... 32

2.6. ALTERNATOR ........................................................................................... 38

2.7. PERSAMAAN-PERSAMAAN YANG DIGUNAKAN ............................. 40

3.7.1 Persamaan Untuk Menghitung Daya Air ................................................... 40

3.7.2 Persamaan Untuk Menghitung Daya Yang Dihasilkan Turbin .................. 41

3.7.3 Persamaan Untuk Menghitung Efisiensi Turbin ........................................ 41

3.7.4 Persamaan Untuk Menghitung Head Kecepatan ........................................ 41

3.7.5 Persamaan Untuk Menghitung Perbandingan Putaran Pada Transmisi Sabuk ......................................................................................................... 41

BAB III METODE PENELITIAN .................................................................. 42

3.1 DIAGRAM ALIR ......................................................................................... 42

3.2 JENIS PENELITIAN .................................................................................... 43

3.3 SARANA PENELITIAN ............................................................................... 43

3.3.1 Sarana Pengujian ........................................................................................ 43

3.3.2 Sarana Perhitungan ..................................................................................... 50

3.4 JALANNYA PENELITIAN ......................................................................... 50

3.4.1 Tahap Persiapan ......................................................................................... 50

3.3.2 Tahap Pelaksanaan Penelitian .................................................................... 52

BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN ......................................... 53

4.1 PERHITUNGAN .......................................................................................... 53

4.1.1 Data Penelitian ............................................................................................ 53

4.1.2 Perhitungan dan Pengolahan Data .............................................................. 56

4.1.2.1. Perhitungan Daya Air.............................................................................. 56

4.1.2.2. Perhitungan Daya Yang Dihasilkan Turbin ............................................ 57

4.1.2.3. Perhitungan Efisiensi Turbin................................................................... 57

4.1.2.4. Perhitungan Head kecepatan ................................................................... 57

4.1.2.5. Perhitungan Perbandingan Putaran Pada Transmisi Sabuk .................... 58

4.1.3 Hasil Pengolahan dan Perhitungan Data ..................................................... 58

4.2 PEMBAHASAN ............................................................................................ 64

4.2.1 Pembahasan Untuk Hasil Prediksi Pengujian 1 .......................................... 64

4.2.2 Pembahasan Untuk Hasil Prediksi Pengujian 2 .......................................... 64

4.2.3 Pembahasan Untuk Hasil Prediksi Pengujian 3 .......................................... 64

4.2.4 Pembahasan Untuk Hasil Prediksi Pengujian 4 .......................................... 64

4.2.5 Pembahasan Untuk Hasil Prediksi Pengujian 5 .......................................... 65

4.2.6 Pembahasan Untuk Hasil Prediksi Pengujian 6 .......................................... 65

4.2.6 Pembahasan secara teoritis.......................................................................... 65

4.3. KENDALA PADA SAAT PENELITIAN.................................................... 67

BAB V PENUTUP.............................................................................................. 68

5.1 Kesimpulan ................................................................................................... 68

5.2 Saran .............................................................................................................. 69

DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................... 70

LAMPIRAN........................................................................................................ 71

Tabel Hasil Perhitungan Ekstrapolasi Pengujian 1 .............................................. 72 Tabel Hasil Perhitungan Ekstrapolasi Pengujian 2 .............................................. 72 Tabel Hasil Perhitungan Ekstrapolasi Pengujian 3 .............................................. 72 Tabel Hasil Perhitungan Ekstrapolasi Pengujian 4 .............................................. 73 Tabel Hasil Perhitungan Ekstrapolasi Pengujian 5 .............................................. 74 Tabel Hasil Perhitungan Ekstrapolasi Pengujian 6 .............................................. 75 Gambar Sarana Pengujian .................................................................................... 76

DAFTAR LAMBANG

E Energi tempat (Nm) _p E Energi tekanan (Nm) _z E Energi kecepatan (Nm) _k

m Massa (kg) z Ketinggian (meter) c Kecepatan fluida (m/detik)

p Tekanan masuk (Pascal) _in p Tekanan keluar (Pascal) _out P Daya air (Watt) _in P Daya turbin (Watt) _out

1 Daya turbin (Watt)

2 Daya alternator (Watt)

_• P Daya listrik (Watt)

3 V Debit air (m /detik)

m Massa aliran air (kg/detik)

η _T Efisiensi turbin H Head total air (meter) H p Head tekanan m(meter) H c Head kecepatan (meter) N q Kecepatan spesifik (rpm)

2 g Percepatan gravitasi (m/detik )

V Tegangan (Volt)

I Arus listrik (Ampere) n

1 Putaran poros turbin (rpm)

2 Putaran alternator (rpm)

F Gaya yang terjadi akibat putaran turbin pada sisi pully pada poros turbin

(Newton) F

2 Gaya yang terjadi akibat putaran turbin pada sisi pully pada poros

alternator (Newton)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Jenis impeller pompa sentrifugal aliran radial ........................... 29Tabel 4.1. Data pengujian 1 ........................................................................ 53Tabel 4.2. Data pengujian 2 ........................................................................ 54Tabel 4.3. Data pengujian 3 ........................................................................ 54Tabel 4.4. Data pengujian 4 ........................................................................ 55Tabel 4.5. Data pengujian 5 ........................................................................ 55Tabel 4.6. Data pengujian 6 ........................................................................ 56Tabel 4.7. Data hasil perhitungan pengujian 1............................................ 58Tabel 4.8. Data hasil perhitungan pengujian 2............................................ 59Tabel 4.9. Data hasil perhitungan pengujian 3.............................................. 59Tabel 4.10. Data hasil perhitungan pengujian 4............................................ 60Tabel 4.11. Data hasil perhitungan pengujian 5............................................ 60Tabel 4.12. Data hasil perhitungan pengujian 6............................................ 61Tabel 4.13. Komponen data pada daya pengereman maksimal disetiap pengujian hasil pengolahan data ................................................ 65

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Skema perubahan bentuk energi. ................................................... 5Gambar 2.2. Bentuk energi dalam aliran air ....................................................... 6Gambar 2.3. Terjadinya gaya karena pembelokan aliran air .............................. 9Gambar 2.4. Analogi terjadinya gaya pada turbin dan pompa.......................... 11Gambar 2.5. Pengaruh kelengkungan sudut pada roda jalan ............................ 12Gambar 2.6. Momen puntir yang terjadi pada dua jenis roda jalan turbin ....... 14Gambar 2.7. Korelasi tinggi air jatuh terhadap bentuk sudu............................. 15Gambar 2.8. Luasan merupakan komponen dari kecepatan ............................. 16Gambar 2.9. Grafik informatif daerah penggunaan dari beberapa jenis konstruksi turbin yang berda......................................................... 18Gambar 2.10. Skema perubahan Head pada turbin Pelton (kiri), irisan penampang nozzle dan ember sudu (kanan atas), bagan

kecepatan pada turbin Pelton (kanan bawah)................................ 21

Gambar 2.11. Skema (sebelah kiri) dan bagan kecepatan pada Turbin Aliran

Ossberger (sebelah kanan) ............................................................ 22

Gambar 2.12. Dua tipe Turbin Francis, tipe horizontal (kiri) dan tipe vertical (kanan).............................................................................. 23Gambar 2.13. Skema Turbin Francis dan perubahan Headnya............................ 24Gambar 2.14. Skema dua jenis Turbin Propeller, poros vertikal (kiri) dan poros horizontal (kanan) ............................................................... 24Gambar 2.15. Poligon kecepatan yang terjadi pada sisi masuk dan sisi keluar yang dialami bagian sudu, kisi-kisi sudu, gaya yang

dialami sudu .................................................................................. 25

Gambar 2.16. Bagan aliran fluida di dalam pompa sentrifugal ........................... 26Gambar 2.17. Segitiga kecepatan pada sisi masuk dan sisi keluar pada impeller pompa.............................................................................. 27Gambar 2.18. Karta untuk menghitung kecepatan putar spesifik impeller.......... 29Gambar 2.19. Skema impeller pompa sentrifugal aliran radial dari tekanan tinggi ke tekanan rendah (ki-ka) ................................................... 30Gambar 2.20. Skema impeller pompa sentrifugal aliran setengah aksia ............. 31Gambar 2.21. Skema impeller pompa sentrifugal aliran setengah aksial ............ 31Gambar 2.22. Perbandingan roda jalan turbin dan impeller pompa .................... 33Gambar 2.23. Segitiga kecepatan pada efisiensi maksimum pada mesin pompa yang dioperasikan sebagai pompa dan sebagai turbin ...... 34Gambar 2.24. Grafik kinerja mesin pompa yang dioperasikan sebagai pompa dan sebagai turbin pada putaran kerja yang sama ............. 36Gambar 2.25. Skema alternator............................................................................ 39Gambar 3.1. diagram alir penelitian.................................................................. 42Gambar 3.2. Skema alat penelitian ................................................................... 44

Gambar 4.1a. Grafik Daya, Efisiensi dan Torsi vs n disetiap pembebanan ..... 61

Gambar 4.1b. Grafik Daya, Efisiensi dan Torsi vs n q disetiap pembebanan ..... 62

Gambar 4.2. Grafik Daya Yang Dihasilkan Turbin vs Beban. .......................... 62Gambar 4.3. Grafik ekstrapolasi Daya Yang Dihasilkan Turbin vs Beban ....... 63Gambar 4.4. Grafik Ekstrapolasi Putaran Turbin vs Beban............................... 63Gambar 4.5. Grafik Efisiensi, BHP, Debit, Putaran dan Head vs Kecepatan

Massa Air Rata-Rata ..................................................................... 65

Gambar 4.6. Grafik Efisiensi, Daya output dan Torsi vs Putaran...................... 66Gambar 4.7. Grafik Head dan Efisiensi vs n jika dioprasikan pada

putaran 2900 rpm ......................................................................... 66

BAB I PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG MASALAH

Hydropower adalah salah satu hasil usaha pengembangan manusia untuk

mendapatkan sumber energi alternatif baru khususnya energi listrik yang lebih mudah didapat dan diterapkan guna mengurangi penggunaan sumber energi yang berasal dari perut bumi (bahan bakar fosil) yang saat ini keberadaannya semakin menipis dikarenakan eksploitasi yang berlebihan.

Energi air hingga sekarang menjadi salah satu sumber energi utama yang digunakan untuk membangkitkan energi listrik agar bisa digunakan secara luas.

Walaupun masih memiliki kekurangan, tetapi dampak lingkungan yang diakibatkan oleh pembangkit tenaga air relatif lebih rendah resikonya dibandingkan dengan pembangkit tenaga diesel maupun pembangkit tenaga nuklir.Tenaga air merupakan salah satu sumber energi yang dapat meminimalisir penggunaan dari produk-produk yang membutuhkan bahan bakar yang berasal dari fosil (minyak bumi, batu bara, gas alam, dan lain-lain), walaupun saat ini belum dimungkinkan dan ditemukan alat yang bisa mengubah energi air yang berefisiensi (dari energi yang dihasilkan) lebih besar dari pembangkit energi dengan bahan bakar fosil, tetapi sejalan perkembangan zaman manusia sadar akan dampak tidak baik jika memakai bahan bakar fosil jika tidak dibatasi.

Dari data yang dikeluarkan oleh Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral Republik Indonesia tahun 2004 tentang Kebijakan Energi Nasional 2003-

2020 : Kebijakan Energi Yang Terpadu Untuk Mendukung Pembangunan

Nasional Berkelanjutan, pemanfaatan energi air di Indonesia masih sangat kecil,

baru sekitar 2,5% dari potensi yang bisa mencapai 75000 MW. Di Indonesia terdapat 1315 kawasan yang berpotensi menjadi sumber energi tenaga air, dan daerah-daerah tersebut tersebar dari Sabang sampai Marauke. Daerah-daerah yang diprediksi memiliki potensi tersebut, antara lain : Pulau Papua 22371 MW, pulau Kalimantan 21611 MW, pulau Sumatra 15804 MW, pulau Sulawesi 10203 MW, pulau Jawa 4531 MW, kepulauan Nusa Tenggara (Bali, NTB dan NTT) 674 MW dan kepulauan Maluku 430 MW. Data-data diatas merupakan sumber pembangkit tenaga air dengan kapasitas besar, belum termasuk sumber-sumber pembangkit tenaga air dengan kapasitas kecil.

1.2 RUMUSAN MASALAH

Karena penggunaan turbin yang relatif digunakan untuk keperluan massal (public sevice) atau industri-industri berskala besar; pada interval kerja di bawah 3 kW (Pico Hydro-Power) sangat jarang sekali turbin yang diproduksi, maka harga dari turbin air tersebut relatif sangat mahal dan tidak banyak pilihan terutama di Indonesia. Oleh karena itu diperlukan suatu teknologi terapan untuk mengatasi penyebaran energi yang tidak merata, terutama dalam bentuk energi listrik. Karena secara sistem kerja pompa merupakan kebalikan dari turbin dan dipasaran lebih mudah mendapatkan mesin pompa dibandingkan mesin turbin.

1.3 TUJUAN PENELITIAN

Penelitian yang dilakukan bertujuan untuk mengetahui prestasi salah satu jenis pompa centrifugal satu tingkat yang ada dipasaran jika dijadikan turbin, Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan tambahan pengetahuan tentang rekayasa tenaga air atau hydro-power, terutama yang berkaitan dengan pemanfaatan pompa sebagai turbin.

1.4 BATASAN MASALAH

Agar penelitian ini tidak terlalu luas dan tetap berada dalam jangkauan penulis, maka perlu adanya batasan masalah. Untuk itu, dalam penelitian tentang “Pompa sebagai turbin” batasan yang hendak ditetapkan sebagai berikut :

a) Pompa sebagai turbin yang digunakan sebagai sarana percobaan kondisinya bukan pompa baru dan tidak diketahui spesifikasinya. Penulis mencari data tentang pompa yang digunakan dengan cara mengambil data dari pompa yang bentuk serta ukurannya sama seperti pompa yang dijual dipasaran.

b) Pembahasan hanya bekisar tentang pengaruh bukaan katup terhadap daya input pompa sebagai turbin, putaran pompa sebagai turbin, daya output pompa sebagai turbin yang telah dikonversi menjadi elergi listrik,torsi yang digunakan untuk menghasilkan daya listrik dan efisiensi pompa sebagai turbin yang mengacu pada daya input disetiap variasi bukaan katup.

BAB II DASAR TEORI

2.1 TINJAUAN PUSTAKA

Sebagai referensi penelitian ini bersumber dari beberapa penelitian- penelitian yang telah dilakukan tentang penggunakan mesin pompa standard sebagai turbin, penelitian-penelitian terebut antara lain : a.

Penelitian yang dilakukan oleh Made Suarda dan rekan-rekan, dari Fakultas Teknik, Jurusan Teknik Mesin, Universitas Udayana, Bali, 2006.

Hasil dari penelitian tersebut adalah memperbaiki efisiensi mesin pompa sebagai turbin yang menggunakan impeller tertutup dengan memodifikasi saluran keluar dari impeller pompa. Hasilnya terjadi peningkatan nilai efisiensi pada kecepatan putar 1580 rpm dari 29,95 % menjadi 37,50 %.

Penelitian atas kerja sama antara MSc. A. Tamm dan Prof. Dr. Ing. B.

Stoffel, Dr. Ing. G. Ludwig yang berasal dari TU Darmstadt, Institute of

Turbomachinery dan Fluid Power , Darmstadt, Jerman. Serta Mech. Ing. A

Braten yang berasal dari NTNU Trondheim, Faculty for Mechanical

Engineering , Trondheim, Norwegia. Hasil penelitian ini adalah

perbandingan perhitungan dengan persamaan Stepanoff (untuk menentukan head turbin dan debit turbin) dengan perhitungan secara komputasi. Terjadi deviasi sebesar 3,5% pada perhitungan debit dan 1,7% pada perhitungan Head

2.2 LANDASAN TEORI

2.2.1 Aliran Zat Cair dan Bentuk Energinya Hukum Newton menyatakan tentang kekekalan energi, yang berarti energi tidak dapat dimusnahkan dan tidak dapat diciptakan tetapi dapat diubah menjadi energi lain. Dengan melihat kaidah hukum itu maka air yang mengalir mengandung energi dan energi tersebut dapat diubah bentuknya, misalnya perubahan dari energi potensial kedalam energi kinetik, atau sebaliknya. energi potensial energi kinetik energi tekanan

Gambar 2.1 . Skema perubahan bentuk energi

2.2.2 Persamaan Bernoulli Tentang Bentuk Energi Pada suatu aliran air di dalam pipa, diambil suatu selisih ketinggian z antara tinggi air atas dan tinggi air bawah, maka menurut Bernoulli, besar energi aliran tersebut adalah:

p c

W m g z m m (Nm) (Dietzel) (2.1)

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + + ρ

Gambar 2.2 Bentuk energi pada aliran air. (Dietzel)

Bila pada aliran tersebut diatas diambil suatu jumlah air tiap 1kg untuk diperhitungkan, hal ini dinamakan “spesifik energi” satuannya dalam Nm/kg.

Karena dibagi m akan didapat:

2 p c

= + + w g ⋅ z = konstan (Nm/kg) (Dietzel) (2.2) ρ

2 Kemudian dibagi lagi dengan percepatan gravitasi g, akan didapat salah satu ruas dari persamaan Bernoulli, yang mempunyai arti ”ketinggian”:

2 p c

= = + + H z konstan (m) (Dietzel) (2.3) ρ g 2 g

⋅ Dengan:

z = tinggi statis (m), = tinggi tekanan (m) ρ ⋅ g

2 c

= tinggi kecepatan (m)

a) Energi Potensial

w = m ⋅ g ⋅ z (Dietzel) (2.4) dengan: w = Energi potensial (N.m) m = Massa (kg)

g = Gravitasi (m/s ) z = Tinggi posisi terhadap acuan (m) b)

Energi tekan

(Dietzel) (2.5)

w = m ⋅

ρ dengan: w = Energi tekan (Nm) m = Massa (kg)

p = Tekanan (N/m )

ρ = Massa jenis fluida (kg/m )

c) Energi kecepatan

2 c

(Nm) (Dietzel) (2.6)

w = m ⋅

w = Energi kecepatan (Nm) m = Massa (kg)

c = Kecepatan fluida (m/s) Arti selanjutnya dari kaidah kekekalan energi adalah apabila arus air dalam alirannya dilewatkan melalui turbin air, maka energi yang ada dalam air akan diubah menjadi bentuk energi yang lain.

2.2.3 Daya yang Masuk ke Turbin .

Dari kapasitas air

V dan tinggi air jatuh H dapat diperoleh daya yang

masuk ke turbin: .

P V ρ g H η (Dietzel) (2.7) = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ h

dengan : Daya yang masuk ke turbin (W)

P = _.

3 V Kapasitas air (m /detik)

ρ Massa jenis air (kg/m )

2 g Percepatan gravitasi (m/detik )

= H = Tinggi air jatuh (m)

η = Randemen hidraulik

h _.

Bila massa aliran dan tinggi air jatuh telah diketahui, maka daya

yang dihasilkan: .

P = m ⋅ g ⋅ H ⋅ η (Dietzel) (2.8) h

dengan : _.

m massa aliran air (kg/detik) =

2.2.4 Dinamika Turbin

Suatu benda yang berlubang seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3. , jika secara teratur dialiri air dengan kecepatan c

1 dan membentuk sudut α 1 , sejajar

dengan dinding batas benda tersebut. Aliran air m akan belok dan keluar dengan membentuk sudut α

2 .

Gambar 2.3. Terjadinya gaya pada pembelokan aliran air. (Dietzel)

Penampang di bagian keluar A lebih kecil dari pada A , berarti kecepatan

keluar c

2 lebih besar dari pada c 1 . dari gambar dan bentuk peralatan serta arah

aliran dapat diperkirakan bagaimana asalnya gaya F. besarnya gaya ini menurut kaidah pergerakan atau inpuls.

F x t = (m x c

1 ) – (m x c 2 ) (Dietzel) (2.9)

Jika t dipindahkan ke sisi kanan maka persamaan tersebut menjadi :

F c c (Dietzel)

(2.10) = ( − )

2 m

Atau :

ρ (Dietzel) (2.11)

F = × ( c − c )

2 V

Dengan : F = gaya (N) c

1 .= kecepatan fluida pada sisi masuk (m/s)

c = kecepatan fluida pada sisi keluar (m/s)

2 Supaya diperhatikan, bahwa menurut kaidah impuls untuk perbedaan

geometri dari bagian-bagian yang bergerak didapat dari × c dan × c .

2 m m

Dengan memperhatikan sudut aliran masuk dan keluar, maka gaya yang terjadi dapat diuraikan dalam arah sumbu x dan sumbu y, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3.

ρ cos α cos α (Dietzel) (2.12)

F = × ( c × − c × ) x

F ρ c sin α c sin α (Dietzel) (2.13)

= × ( × − × ) y

a) Pemindah Gaya ke Turbin

Bejana pada Gambar 2.4 diletakkan di atas kereta yang bisa bergerak tanpa gesekan, ke dalam bejana tersebut dialirkan air, maka kereta akan meluncur dengan kecepatan u sambil menarik tali penggantung beban. Melalui sudu pengarah yang tetap, air dialirkan ke dalam bejana dengan membentuk sudut α

1 dan kecepatan c 1 . satu bagian kecil air pada titik a

bergerak pindah ke dalam bejana dengan sudut α dan kecepatan c ke arah

titik c

1 , tetapi pada waktu yang bersamaan air tersebut juga bergerak dengan

kecepatan u ke arah u . dengan digabarnya c dan u bersama-sama didapat

arah dan besarnya kecepatan w

1 bagian kecil air bergerak di dalam bejana

dengan arah dan kecepatan w

1 . dengan demikian segi tiga kecepatan air masuk bisa digambar.

Gambar 2.4. Analogi gaya yang terjadi pada turbin dan pompa. (Dietzel)

Untuk gambar segitiga kecepatan bagian air ke luar didapat sebagai berikut, bila satu bagian kecil air z dalam mengalirnya sampai dibagian ujung keluar bejana kecepatannya berubah dari c ke c disebabkan karena

pengecilan penampang A

2 /A 1 dan kelengkungan bejana.

Di titik z digambar harga u (pada persoalan ini u = u =u) dan

digambar pula w

2 yang sesuai besar dan arahnya, dengan digambarnya c 2 di

dapat segitiga kecepatan keluar. Penjelasan diatas sesuai dengan dalil penjumlahan vector, sebagai keterangan berikut aksara-aksara yang menjadi simbol : c = kecepatan mutlak rata-rata massa air (m/s) u = kecepatan tangensial roda jalan turbin (m/s) w = kecepatan relatif air terhadap roda jalan turbin (m/s) α

= sudut yang terbentuk antara garis kerja c dan garis kerja u (˚) β = sudut yang terbentuk antara gari kerja w dan u (˚) subscript 1 = komponen sisi masuk turbin subscript 2 = komponen sisi keluar turbin

Untuk mengetahui besar gaya yang dialami roda jalan turbin digunakan persamaan :

F = × ρ × w − w (Dietzel) (2.14)

( ) u 1 u 2 u

F = × ρ × ( w − w ) (Dietzel) (2.15)

2 a V a a

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4 notasi u menjelaskan komponen kecepatan yang diproyeksikan terhadap garis kerja kecepatan roda turbin dan notasi a menjelaskan komponen kecepatan yang diproyeksikan terhadap garis yang tegak lurus terhadap garis kerja kecepatan roda turbin. Untuk kapasitas yang sama, pada kelengkungan yang lebih tajam akan diperoleh gaya yang lebih besar (seperti ditunjukkan pada

Gambar 2.5 ), jadi persamaan menjadi :

_{u u u u u}

w w

V Gambar 2.5. Pengaruh kelengkungan sudut pada roda jalan. (Dietzel)

2 V Tetapi tidak semua turbin air mempunyai sudu-sudu yang belakangnya tajam, karena hal ini ada hubungannya dengan kapasitas air, tinggi air jatuh dan kecepatan putar roda turbin, jadi dari alasan-alasan konstruksi dan ekonomilah yang membuat pembuatan turbin harus tertentu. Selain dengan kecepatan relatif, besar gaya dapat juga dihitung dengan memakai kecepatan absolut dari air.

w = c − u w = c − u _{u u} 2 u 2 u

ρ (Dietzel) (2.17)

F = × × ( c − c ) _{u u u}

2 V

Yang perlu diperhatikan dalam perhitungan dari kecepatan absolut air ini adalah arah dari pada sisi masuk dan sisi keluar.

b) Momen Puntir

Aliran air di dalam bejana bisa asumsikan sebagai aliran air di dalam saluran sudu-sudu yang terdapat pada roda turbin, seperti yang ditunjukkan Gambar 2.6, r adalah jarak dari titik pusat ke tempat bekerjanya gaya tangensial F , maka pada poros turbin akan bekerja momen :

M F r

V ρ r w r w (Dietzel) (2.18) = × = × × ( − ) _u ₁ _{1 u} ₂ _{2 u}

Atau :

(Dietzel) (2.19)

M = F × r = V × ρ × ( r c − r c )

u u u

Jari-jari r dan r tiap-tiap turbin tidak sama, ditentukan kepada cara dan

2 banyaknya air yang dialirkan.

Persamaan Euler tentang turbin, pada kecepatan sudut yang tetap (ώ)/putaran tetap, harga kecepatan keliling roda turbin (u) dari sisi masuk dan sisi keluar ditentukan oleh radius sisi masuk dan radius sisi keluar.

u = ω × r u = ω × r

2 Maka dari persamaan Euler tentang daya turbin :

V × ρ × ω × r c − r c ( ¹ ^{1 u} ² ^{2 u )}

Menjadi :

V ρ u c u c (Dietzel) (2.20) = × × ( − ) ₁ _{1 u} ₂ _{2 u}

c) Tinggi Air Jatuh

Dilain pihak untuk kapasitas dan tinggi air jatuh yang telah diletahui, daya yang dihasilkan turbin :

V × ρ × g × H × η T Bila disamakan akan menjadi :

ρ η ρ

P = V × × g × H × = V × × ( u c − u c ) T

1 1 u

2 2 u

Dari sini didapat rumus utama untuk turbin air dan biasanya disebut rumus Euler Turbin :

( u c − u c )

1 1 u

2 2 u

(Dietzel) (2.21)

H = g × η T

Dari rumus di atas dapat diketahui adanya hubungan pemanfaatan tinggi air jatuh dengan bentuk sudu jalan, untuk mendapatkan ringkasan yang baik, kecepatan absolut (c) diganti dengan komponen di dalam sudu gerak, yaitu kecepatan relatif air terhadap roda jalan turbin (w), maka rumus tersebut menjadi :

( u w − u w )

2 u u

(Dietzel) (2.22)

H = g × η T

Bila pada persamaan sebelah kiri harga H kecil, berarti harga persamaan yang di sebelah kanan pun kecil. Hal ini samgat besar pengaruhnya dalam menentukan arah w 2u apakah dibuat sama atau berlawanan arah dengan w 1u .

d) Debit Air

Luas penampang saluran A

1 tergantung kepada kapasitas aliran air. dari

persamaan kontinuitas : A

1 = luas penampang saluran, D 1 = diameter roda jalan turbin sisi masuk, b 1 =

lebar saluran pengarah. Jadi disini ada juga hubungannya dengan diameter roda turbin, yang berarti ada juga pengaruhnya terhadap besarnya u . dengan

pemilihan lebar b berarti diameter roda D tertentu dan dengan demukian bentuk roda turbin juga tertentu.

Dalam pemilihan kecepatan putaran sedapatnya ditentukan setinggi mungkin karena dengan kecepatan putar yang tinggi akan didapat momen puntir yang kecil, poros yang kecil, dan diameter roda turbin yang kecil, serta bagian-bagian yang lain juga mengikuti.

f) Kecepatan Spesifik

Kecepatan spesifik (n q ) dipakai sebagai tanda bataasan untuk membedakan tipe roda turbin dan dipakai sebagai suatu besaran yang penting dalam merencanakan turbin air.

Arti dari n itu sendiri adalah kecepatan putaran roda turbin yang

q 3 bekerja pada tinggi air jatuh 1m dan kapasitas air sebesar 1 m /detik.

Suatu roda turbin yang bekerja pada tinggi air jatuh yang berbeda dan kapasitas air yang berbedea, serta bekerja pada putaran yang telah ditentukan (biasanya kecepatan generator sudah ditetapkan) dan mempunyai harga nq yang sama, maka turbin tersebut secara geometri/bentuk adalah serupa/sebangun. Besarnya ukuran-ukuran pokoknya adalah berbeda. Diameter roda turbin berbeda dan lebar rodanyapun berbeda, tetapi bentuk sudu, sudut sudu pengarah dan sudut sudu jalan, perbandingan diameter roda/ lebarnya adalah sama.

Dilain pihak suatu turbin bisa direncanakan untuk kecepatan putar pada nilai tertentu, tinggi air jatuh yang sama, kapasitas air sama, tetapi bekerja dengan tipe sudu yang berbeda. Dari perbedaan roda turbin, meskipun untuk besarnya daya yang dihasilkan turbin sama, akan memberikan bentuk roda dan kecepatan spesifik yang berbeda pula.

Bentuk persamaan untuk menentukan nilai dari kecepatan spesifik adalah :

n = n (Dietzel) (2.23) q

75 H

n = kecepatan putar spesifik (rpm)

n = kecepatan putar generator H = Head posisi/tinggi air jatuh

= debit air

V Grafik informatif daerah penggunaan dari beberapa jenis konstruksi Gambar 2.9.

turbin yang berbeda. (Dietzel)

2.3 TURBIN AIR

Turbin air adalah salah satu komponen dari pembangkit listrik tenaga air (PLTA). Turbin air sendiri berfungsi sebagai pengubah energi mekanik dalam hal ini puntiran menjadi energi listrik dengan bantuan komponen lainnya, energi ini diambil dari air yang memanfaatkan aliran, tinggi air jatuh dan cara lainnya. Energi puntiran yang dihasilkan oleh turbin diteruskan untuk memutar generator yang selanjutnya menghasilkan energi listrik.

2.3.1 Perkembangan Turbin Air

Perkembangan turbin air sulit untuk ditelusuri karena banyaknya acuan yang terdapat dalam berbagai jurnal dan kadang tidak saling mendukung satu dengan yang lain. Perkembangan turbin air mulai terlihat pada abad-19: I.

Pada tahun 1826 Benoit Fourneyron mengembangkan sebuah turbin air berefisiensi 80%. Air diarahkan menyimpang melalui turbin runner sehingga turbin runner berputar (turbin aliran keluar).

II. Pada tahun sebelumnya sekitar tahun 1820, Jean- Victor Poncelete mendisain turbin air aliran dalam, dengan menggunakan prinsip yang sama dia mendapat U.S.paten di tahun 1838. Pada tahun 1848 James B. Francis mengembangkan disain turbin air aliran dalam untuk mendapatkan efisiensi yang lebih tinggi (90%). Yang disebut turbin Francis.

2.3.2 Klasifikasi Turbin Air Menurut Cara Kerja

Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, tapi secara umum turbin air dikelompokkan menurut cara turbin tersebut merubah dari energi air menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini turbin air dibagi menjadi dua yaitu :

PRESTASI POMPA SENTRIFUGAL DENGAN IMPELER SETENGAH TERTUTUP SEBAGAI TURBIN