Perancangan turbin aliran silang untuk debit 0,0212 m3/detik dan head 1,5 m - USD Repository

  

PERANCANGAN TURBIN ALIRAN SILANG

UNTUK DEBIT 0,0212 m

  

3

/detik DAN HEAD 1,5 m

  

No.802/TA/FT-USD/TM/Agustus/2007

TUGAS AKHIR

  Diajukan untuk memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

  Jurusan Teknik Mesin Disusun oleh :

  

YUSUF GESANG KAPIPI

NIM : 015214038

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

  

CROSSFLOW TURBINE DESIGNING

FOR 0,0212 m 3 /s CAPACITY AND 1,5 m HEAD

  

No.802/TA/FT-USD/TM/August/2007

FINAL PROJECT

  Presented as Partial Fulfillment of the Requirements To Obtain then Sarjana Teknik Degree in Mechanical Engineering

  By :

  

YUSUF GESANG KAPIPI

Student Number : 015214038

MECHANICAL ENGINEERING PROGRAM STUDY

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

KATA PENGANTAR

  Puji Syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan rahmat dan karunia-Nya, sehingga panulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.

  Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat yang harus ditempuh untuk mencapai derajat Sarjana S-1 pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma. Isi Tugas Akhir merupakan studi tentang perancangan turbin crossflow.

  Dalam kesempatan ini penulis menyadari bahwa dalam proses belajar di Program Studi Teknik Mesin, sejak awal studi sampai berakhirnya studi melibatkan banyak hal. Atas segala saran, bimbingan, dukungan dan bantuan, pada kesempatan ini dengan penuh kerendahan hati penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

  1. Ir.Greg. Heliarko. SJ., S.S., B.S.T., M.A., M.Sc. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  2. Budi Sugiharto, S.T., M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  3. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir.

  4. I Gusti Ketut Puja, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing Akademik.

  5. Seluruh dosen dan staff Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah memberikan berbagai pengetahuan kepada penulis dan membantu selama proses belajar di Jurusan Teknik Mesin.

6. Ayah dan Ibu yang sangat saya sayangi, beserta adik yang selalu mendukung saya, baik dalam materi maupun motivasi.

  Penulis menyadari sepenuhnya bahwa penulisan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Meskipun demikian penulis berharap bahwa penulisan Tugas Akhir ini dapat memberikan kontribusi dalam pengembangan ilmu khususnya mengenai perancangan turbin crossflow. Atas kritik dan saran yang bersifat membangun guna sempurnanya karya tulis ini penulis mengucapkan terima kasih.

  Yogyakarta, April 2008 Penulis

  

INTISARI

  Turbin aliran silang banyak digunakan untuk pembangkit listrik skala mikro. Pembuatan sudu turbin dari pelat yang dilengkung dengan sudut tertentu sulit dilakukan. Geometri sudu dengan pelat sebenarnya sama dengan geometri pipa yang dibelah dengan sudut tertentu. Perancangan ini bertujuan untuk merancang sebuah turbin aliran silang (crossflow turbine) menggunakan pelat

  3

  yang dilengkung dan pipa yang dibelah, untuk Debit 0,0212 m /detik dan Head 1,5 m.

  Bahan-bahan yang digunakan dalam perancangan runner adalah pelat baja untuk piringan dan sudu yang dilengkung, sedangkan pembuatan sudu dari pipa menggunakan pipa diameter 3 inch.

  Turbin aliran silang dengan sudu dari pelat yang dilengkung mempunyai diameter luar runner 0,2260 m, panjang runner 0,2032 m, dengan jumlah sudu 18 buah. Sedangkan turbin dengan sudu dari bilah pipa mempunyai diameter luar runner 0,2336 m, panjang runner 0,1966 m, dengan jumlah sudu 18 buah.

  Kata Kunci : turbin aliran silang, pelat dilengkung, bilah pipa

  

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

  Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma : Nama : Yusuf Gesang Kapipi Nomor Mahasiswa : 015214038

  Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma Karya ilmiah saya yang berjudul :

  

PERANCANGAN TURBIN ALIRAN SILANG

UNTUK DEBIT 0,0212 m3/detik DAN HEAD 1,5 m

  Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan, dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikannya di Internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalty kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.

  Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya. Dibuat di Yogyakarta Pada tanggal : 12 September 2008 Yang menyatakan ( Yusuf Gesang Kapipi )

  

DAFTAR ISI

  2.2.3.1 Turbin Impuls ....................................................... 12

  3.2.3 Gambar Teknik Turbin Crossflow ...................................... 33

  3.2.2 Geometri Turbin ................................................................. 32

  3.2.1 Perhitungan ......................................................................... 28

  3.2 Perancangan Turbin Crossflow dengan Sudu Jalan Terbuat dari Pelat yang Diroll ...................................................................... 28

  3.1 Dasar Perancangan .......................................................................... 27

  BAB III PERANCANGAN

  2.3.5 Konstruksi Turbin Crossflow ............................................. 22

  2.3.4 Efisiensi Turbin .................................................................. 20

  2.3.3 Aliran Pergerakan Air pada Turbin .................................... 18

  2.3.2 Pemindahan Gaya ke Turbin .............................................. 15

  2.3.1 Prinsip Dasar Turbin Crossflow ......................................... 14

  2.3 Turbin Crossflow ............................................................................ 14

  2.2.3.2 Turbin Reaksi ....................................................... 14

  2.2.3 Jenis-jenis Turbin Air ......................................................... 12

  Halaman

  2.2.2 Perkembangan Turbin Air .................................................. 11

  2.2.1 Definisi Turbin Air ............................................................. 10

  2.2 Turbin Air ....................................................................................... 10

  2.1.3 Kecepatan Spesifik ............................................................. 9

  2.1.2 Daya yang Dihasilkan Turbin ............................................. 8

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

  2.1 Landasan Teori ............................................................................... 5

  BAB II DASAR TEORI

  1.3 Batasan Masalah ............................................................................. 4

  1.2 Tujuan Perancangan ........................................................................ 3

  1.1 Latar Belakang Masalah ................................................................ 1

  

INTISARI ...................................................................................................... viii

DAFTAR ISI ................................................................................................... ix DAFTAR TABEL ......................................................................................... xi DAFTAR GAMBAR ..................................................................................... xii

DAFTAR LAMBANG .................................................................................. xiv

BAB I PENDAHULUAN

  HALAMAN JUDUL ...................................................................................... i HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ......................................... iii HALAMAN PENGESAHAN ........................................................................ iv HALAMAN PERNYATAAN ....................................................................... v KATA PENGANTAR .................................................................................... vi

  3.3 Perancangan Turbin Crossflow dengan Sudu Jalan Terbuat dari Pipa Berdiameter 3 inchi ......................................................... 34

  3.3.2 Geometri Turbin ................................................................. 38

  3.3.3 Gambar Teknik Turbin Crossflow ...................................... 39

  3.4 Pembahasan .................................................................................... 41

  BAB IV KESIMPULAN

  4.1 Hasil Perancangan ........................................................................... 44

  4.1.1 Perancangan Turbin Crossflow dengan Sudu Jalan Terbuat dari Pelat yang Diroll ............................................ 44

  4.1.2 Perancangan Turbin Crossflow dengan Sudu Jalan Terbuat dari Pipa Berdiameter 3 inchi ................................ 45

  DAFTAR PUSTAKA

  DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Klasifikasi turbin terhadap head ........................................................... 12Tabel 3.1 Perbandingan panjang dan diameter turbin .......................................... 28

  DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Bentuk energi pada aliran air ................................................................ 5Gambar 2.2 Turbin Crossflow .................................................................................. 15Gambar 2.3 Gaya aksi atau gaya dorong tumbukan ................................................. 16Gambar 2.4 Gaya aksi atau gaya dorong tumbukan sudu jalan ............................... 16Gambar 2.5 Gaya aksi atau gaya dorong tumbukan penampang sudut tertentu .................................................................................................. 17Gambar 2.6 Aliran pergerakan air pada turbin ......................................................... 19Gambar 2.7 Defleksi pada pergerakan aliran air pada turbin .................................. 20Gambar 2.8 Defleksi pada pergerakan aliran air pada turbin .................................. 21Gambar 2.9 Gabungan diagram kecepatan pada turbin Crossflow .......................... 22Gambar 2.10 diagram kecepatan pada turbin Crossflow ........................................... 23Gambar 2.11 Kelengkungan sudu .............................................................................. 24Gambar 2.12 Jarak antar sudu .................................................................................... 25Gambar 2.13 Alur pancaran air dari sisi turbin ......................................................... 26Gambar 3.1 Dimensi Turbin Crossflow dengan plat yang diroll ............................. 33Gambar 3.2 Kelengkungan sudu turbin Crossflow dengan pipa berdiameter 3 inchi dengan sudut pusat sudu jalan

  o

  =73,48 ................................................................................................. 39

Gambar 3.3 Skematik Turbin Crossflow dengan pipa berdiameter 3 inchi.

  40

Gambar 3.4 Kelengkungan sudu turbin Crossflow dengan pipa

  o

  berdiameter 3 inchi dengan sudut pusat sudu jalan =90 (memperbesar diameter luar runner) ................................................... 42

Gambar 3.5 Kelengkungan sudu turbin Crossflow dengan pipa

  o

  berdiameter 3 inchi dengan sudut pusat sudu jalan =90 (memperkecil diameter dalam runner) ................................................ 43

DAFTAR LAMBANG

  o

  )

  o

  Δ = Sudut pusat sudu jalan (

  N = Kecepatan Putar (rpm)

  A = Penampang nosel (m) s o = Tinggi pancaran air nosel (m)

  2 = Jarak pancaran dari keliling dalam (m)

  = Jarak pancaran dari poros (m) y

  1

  n = Jumlah sudu (buah) y

  2 = Jarak antar sudu pancaran air keluar (m)

  ) s

  H = Head (m)

  Q = Debit (m

  1 = Sudut masuk

  β

  = Jarak antar sudu pancaran air masuk (m) t = Jarak antar sudu (m)

  1

  (m) a = Lebar velk radial (m) s

  (m) ρ = Jari-jari kelengkungan sudu turbin

  (m) L = Panjang Turbin

  1 = Diameter turbin

  (%) D

  /detik) η = Efisiensi turbin

  3

  (

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

  Sumber energi yang tidak dapat diperbaharui di negara kita semakin berkurang. Padahal sampai saat ini di Indonesia, konsumsi kebutuhan energi pada umumnya berasal dari sumber energi tak terbarui. Dengan meningkatnya pertambahan penduduk, industrialisasi modern, peningkatan transportasi dan penggunaan listrik yang sangat cepat, maka akan terjadi ketimpangan antara sektor-sektor riil pemakai energi dengan sumber energi yang tersedia.

  Air merupakan salah satu sumber daya alam yang tidak terbatas jumlahnya. Air juga memiliki potensi yang sangat besar dan dapat digunakan untuk menciptakan sumber energi alternatif baru yang dapat menggantikan penggunaan energi fosil yang sudah semakin menipis ketersediaannya di dalam perut bumi karena ulah manusia yang telah mengeksploitasi habis- habisan untuk digunakan secara individu maupun industri besar. Oleh karena itu, kini manusia telah berusaha mengembangkan Hydropower untuk mendapatkan sumber energi alternatif baru khususnya energi listrik. Air adalah sumber energi utama yang digunakan untuk menggantikan fungsi energi fosil tersebut. Berbeda dari bahan baku fosil yang diklaim berdampak buruk bagi kesehatan manusia dan menimbulkan pencemaran lingkungan, energi air dapat mereduksi efek buruk yang ditimbulkan oleh fosil.

  Air merupakan salah satu sumber energi yang dapat dikatakan bisa mengungguli dan menggantikan keberadaan dari produk-produk yang dihasilkan 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 lebih besar dari energi fosil ), tetapi sejalan dengan

  turbin fosil

  (η > η perkembangan zaman yang juga diikuti dengan peningkatan kebutuhan energi, manusia sadar akan dampak tidak baik dalam penggunaan energi fosil sehingga lebih tertarik untuk mengembangkan energi air yang tidak menimbulkan polusi .

  Dewasa ini banyak sekali telah dikembangkan berbagai alat untuk menghasilkan energi baru yang berasal dari air, sebagai contoh adalah Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA). PLTA dibangun untuk memenuhi kebutuhan listrik yang kian meningkat. Proses dari PLTA ini sendiri menggunakan turbin dan dari putaran turbin tersebut di teruskan untuk menggerakkan generator untuk menghasilkan listrik.

  Untuk saat ini di Indonesia pada khususnya sering sekali terjadi pemadaman listrik yang dikarenakan tidak sebandingnya hasil listrik dan kebutuhan listrik, padahal jika dilihat dari letak geografis dan keadaan yang terdiri dari pulau-pulau Indonesia memiliki banyak sungai-sungai yang bisa dimanfaatkan potensinya untuk pembangkit tenaga listrik mini yang dapat dimanfaatkan oleh masyarakat di sekitarnya.

  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, oleh karena itu diperlukan suatu teknologi terapan untuk mengatasi hal tersebut agar masyarakat kecil juga dapat menikmati listrik.

1.2 Tujuan Perancangan

  Perancangan yang dilakukan bertujuan untuk membuat rancangan turbin aliran silang (crossflow).

1.3 Batasan Masalah

  Dalam tugas akhir ini penulis membatasi masalah pada perancangan turbin

  3 Crossflow untuk Head (H) = 1,5 m dan debit (Q) = 0,0212 m /detik. Sudu turbin menggunakan bahan pelat yang diroll dan pipa berdiameter 3 in.

BAB II DASAR TEORI

2.1 Landasan Teori

2.1.1 Aliran Zat Cair dan Bentuk Energinya

  Persamaan energi dihasilkan dari penerapan prinsip kekekalan energi pada aliran fluida. Energi yang dimiliki oleh suatu fluida yang mengalir terdiri dari energi dalam dan energi-energi akibat tekanan, kecepatan dan kedudukan. Hukum kekekalan energi, menyatakan bahwa energi tidak dapat dimusnahkan dan tidak dapat diciptakan tetapi dapat diubah menjadi bentuk energi lain. Arus air yang mengalir mengandung energi dan energi tersebut dapat diubah bentuknya, misalnya perubahan dari energi potensial (tekanan) kedalam energi kinetik (kecepatan), atau sebaliknya.

  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.

  Arti selanjutnya dari 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. Aliran air pada suatu standar ketinggian tertentu mempunyai bentuk-bentuk energi sebagai berikut: Energi tempat

  E m g z _{p =} (Nm) …………………….......................................... 2.1 dengan: m = massa g

  = gravitasi z = ketinggian Energi tekanan

  p E = m (Nm) ........................................... _z

  ………………………2.2

  ρ

  dengan:

  m = massa p

  = tekanan  = massa jenis fluida

  Energi kecepatan ₂

  c E = m (Nm) ......................................... _k

  ……………………..…2.3

  2

  dengan:

  m = massa c = kecepatan fluida

  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: ₂

  p c W  m  g  z  m   m  (Nm) ........................................

  ………….2.4 

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

  Karena dibagi m akan didapat: ₂

  p c w g z kons tan (Nm/kg) ........................................

      

  …...… 2.5 

  2 Kemudian dibagi lagi dengan percepatan gravitasi g, akan didapat salah

  satu ruas dari persamaan Bernoulli, yang mempunyai arti head: ₂

  p c H z konstan     (m) ........................................

  ………...…2.6 

   g 2 g

  dengan: z = ketinggian tempat

  p

  = tinggi tekanan   g ₂

  c = tinggi kecepatan.

  2 g

2.1.2 Daya yang Dihasilkan Turbin .

  H

  Dari kapasitas air

  V dan tinggi air jatuh dapat diperoleh daya yang

  dihasilkan turbin (Frizt Dietzel,1996, hal. 2): _.

       P V  g H  _T ………………………....………………….2.7 dengan :

  P _.

  = daya yang dihasilkan turbin (kW)

3 V = kapasitas air (m /detik)

  3

  = massa jenis air (kg/m )

  ρ

  2 g

  = percepatan gravitasi (m/detik )

  H

  = tinggi air jatuh (m)

  η = randemen turbin T QHe Hp 

  (Banki water turbine,1949,hal.17)………………………2.8 8 .

  8

  dengan :

  Hp = daya yang dihasilkan turbin (Hp) Q = kapasitas air (cfs)

  .

  Bila massa aliran m dan tinggi air jatuh telah diketahui, maka daya yang dihasilkan: _.

  P  m  g  H   (FriztDietzel,1996,hal.2) _T

  ………………………2.9 _. dengan : m  massa aliran air (kg/det)

2.1.3 Kecepatan Spesifik

  Kecepataan spesifik n dipakai sebagai tanda batasan untuk membedakan _q roda turbin dan dipakai sebagai suatu besaran yang penting dalam merencanakan (desain) turbin air. Persamaan n dapat dituliskan sebagai berikut _q (FriztDietzel,1996,hal.20):

  V n n ............................................ _{q = 4 3 / 4} ……………………2.10 H

  dengan :

  n = kecepatan spesifik ( rpm) _q

  n = kecepatan putar turbin (rpm) _.

3 V = kapasitas air (m /detik)

  H = tinggi air jatuh (m)

  

n adalah jumlah putaran roda turbin yang bekerja pada tinggi air jatuh H = 1 m

_{q .}

  3

  dan kapasitas air V = 1 m /detik (dengan jumlah putaran yang tertentu n/menit). Suatu roda turbin yang bekerja pada tinggi air jatuh yang berbeda dan kapasitas air yang berbeda , serta bekerja pada putaran yang telah ditentukan n/menit dan mempunyai harga n yang sama, maka turbin tersebut secara bentuk adalah _q mirip/serupa. Besar ukuran-ukuran pokoknya adalah berbeda, Diameter roda turbin berbeda dan lebar rodanya pun berbeda, tetapi bentuk sudu, sudut sudu pengarah dan sudut-sudut sudu jalan, perbandingan diameter roda/lebarnya adalah sama.

2.2 Turbin Air

2.2.1 Definisi Turbin Air

  Turbin air adalah salah suatu mesin berputar yang mengkonversi energi dari suatu gerakan aliran air menjadi energi mekanis. Energi mekanis ini kemudian ditransfer melalui suatu poros untuk mengoperasikan mesin atau generator. Turbin air digunakan pada pembangkit listrik tenaga air (PLTA) untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik, dengan memanfaatkan aliran dan tinggi air jatuh. Air dibawah tekanan tinggi didalam dam dilepaskan kedalam suatu saluran dimana akan menggerakan impeler turbin sehingga menyebabkan putaran yang cepat. Daya mekanis ini kemudian ditransfer ke generator oleh suatu poros dan kemudian akan menghasilkan energi listrik. Pemilihan suatu turbin tergantung pada karakteristik lokasi, karena menentukan tinggi air jatuh dan kapasitas air. Selain itu pemilihan turbin juga tergantung dari kecepatan putar yang diminta oleh generator.

2.2.2 Perkembangan Turbin Air

  Bentuk yang paling tua dan sederhana dari turbin air adalah kincir air, yang pertama kali digunakan oleh bangsa yunani pada abad pertengahan.

  Perpindahan dari bentuk kincir air ke bentuk turbin air modern memakan waktu sekitar 100 tahun. Pada awal abad ke 19 seorang insinyur Prancis yang bernama Claude Bourdin menemukan kata turbin yang diambil dari bahasa latin yang berarti memutar atau pusaran air. Perkembangan turbin air mulai terlihat pada pertengahan abad 18 : 1.

  Pada pertengahan abad 17 Jan Andrej Segner mengembangkan suatu turbin air reaktif, yang merupakan mesin yang sangat sederhana yang hingga saat ini masih dapat dijumpai di lokasi hidro yang kecil.

  2. Pada tahun 1826 Benoit Fourneyron mengembangkan sebuah turbin air berefisiensi 80%. Air diarahkan menyimpang melalui turbin

  runner sehingga turbin runner berputar (turbin aliran keluar).

  3. 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.

4. Pada tahun 1848 James B. Francis mengembangkan disain turbin air aliran dalam untuk mendapatkan efisiensi yang lebih tinggi (90%).

  Yang disebut turbin Francis.

2.2.3 Jenis-jenis Turbin Air

  Terdapat berbagai jenis turbin air yang digunakan untuk penyediaan kebutuhan energi listrik. Turbin air biasanya dikelompokan berdasarkan kegunaan tertentu, kapasitas aliran dan tinggi air jatuh. Oleh karena itu turbin air diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara. Secara umum turbin air dikelompokkan menurut tinggi air jatuh (Head) dan juga prinsip kerja turbin tersebut merubah energi air menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini turbin air dibagi menjadi :

Tabel 2.1 Klasifikasi turbin terhadap head

  Head tinggi Head sedang Head rendah Turbin impuls Turbin pelton Turbin cross flow Turbin cross flow

  Turbin turgo TurbinPelton multi jet Turbin Turgo

  Turbin reaksi Turbin Francis Turbin Kaplan

2.2.3.1 Turbin impuls

  Turbin impuls disebut juga turbin tekanan sama atau turbin pancaran bebas karena aliran air masuk sudu turbin dan yang keluar tekanannya adalah sama.

  Yang dimaksud turbin implus adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan menjadi energi kecepatan dari pancaran.air. Pancaran air akan membentur roda jalan turbin yang kemudian membalikkan arus air, sehingga menghasilkan perubahan pada daya dorongan yang disebabkan oleh roda jalan turbin. Pada roda jalan turbin tidak terjadi perubahan tekanan. Sebelum pancaran air membentur roda jalan turbin, tekanan air (energi potensial) dikonversi ke tenaga gerak (energi kinetic) oleh nossel dan dipusatkan pada roda jalan turbin. Jumlah nosel tergantung pada besarnya kapasitas air, tiap roda turbin bisa dilengkapi dengan 1 sampai 6 nosel. Bentuk sudu turbin ini terdiri dari 2 bagian yang simetris, maksudnya agar bisa membalikan pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping. Turbin impuls sering digunakan pada aplikasi turbin yang membutuhkan head yang sangat tinggi. Yang termasuk turbin impuls antara lain: a.

  Turbin Pelton Turbin ini terdiri dari roda jalan yang diputar oleh pancaran air yang keluar dari nosel. Roda jalan turbin Pelton menyerupai roda jalan pada kincir air.

  b.

  Turbin Crossflow Turbin ini juga disebut Michell-Banki turbin. Cara kerja turbin ini adalah seperti turbin Pelton, yaitu hanya sebagian sudu-sudu saja yang bekerja membalikan aliran air. Turbin ini mempunyai alat pengarah sehingga dengan demikian celah bebas dengan sudu-sudu di sekeliling roda hanya sedikit.

  Karena itu pada keadaan pembebanan penuh putarannya roda terjadi sedikit kemacetan yang sedikit menimbulkan tekanan lebih. c.

  Turbin Turgo Turbin ini sama persis dengan turbin Pelton, yang membedakan hanya kecepatan spesifik yang lebih tinggi.

2.2.3.2 Turbin reaksi

  Turbin ini juga disebut turbin tekanan lebih. Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah energi tekanan. Pada turbin reaksi tekanan air akan mengalami penurunan setelah melewati sudu turbin. Turbin air reaksi dibagi menjadi dua jenis yaitu: a.

  Francis Turbin Francis dikembangkan oleh James B. Francis pada tahun 1848, yang juga disebut turbin aliran dalam.

  b.

  Propeller Jenis ini saat pertama kali dikembangkan dirancang dan dibuat dengan sudu yang tidak dapat diatur atau fixed blade, tetapi karena sudu tidak dapat diatur, maka efesiensinya berkurang jika digunakan pada kisaran debit yang lebar. Oleh karena itu maka dikembangkanlah jenis baru dengan sudu yang dapat diatur atau adjustable blade, contoh dari turbin ini antara lain: Kaplan, Nagler, Bulb, Moody.

2.3 Turbin Crossflow

2.3.1 Prinsip Dasar Turbin Crossflow

  Turbin Crossflow, seperti diperlihatkan dalam Gambar. 2.2. Turbin Crossflow juga dikenal dengan nama Turbin Michell-Banki yang merupakan penemunya, juga disebut Turbin Osberger yang merupakan perusahaan yang memproduksi turbin crossflow. Turbin Crossflow Termasuk turbin impulse (tidak ada perbedaan tekanan air masuk sudu dan meninggalkan sudu, bekerja berdasar prinsip impulse-momentum). Berdasarkan karakteristik, turbin Banki berada di antara Pelton tangential water turbine dan Francis mixed-flow wheel. Turbin crossflow terdiri dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel dan nozzle. Pancaran air dari nosel masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Pancaran air masuk turbin melalui bagian atas, memberikan energi ke sudu kemudian masuk ke bagian dalam turbin dan keluar melalui bagian bawah turbin. Turbin mengambil energi air dua kali yaitu melalui sudu atas dan sudu bawah. Pada bagian atas turbin mengambil energi sebesar 72 % dan pada bagian bawah turbin mengambil energi sebesar 28 %.

Gambar 2.2 Turbin Crossflow

  

(Sumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf )

2.3.2 Pemindahan Gaya ke Turbin a. Suatu plat yang tegak lurus terhadap pancaran air.

  Pancaran air dengan kecepatan (v) yang memancar tegak lurus plat, akan

   o

  mencoba mendorong plat. Besarnya gaya F = m . v. Pancaran akan berbelok 90 menyebar kesamping pada bidang plat. Maka akan terjadi perubahan vektor kecepatan yang berarti perubahan momentum.

Gambar 2.3 Gaya aksi atau gaya dorong tumbukan.(Joe Cole, 2004 , hal. 2) b. Suatu Penampang konstruksi sudu jalan terhadap pancaran air.

  Pancaran air dengan kecepatan (v) yang memancar mengenai sudu jalan dengan konstruksi berbelok, akan menimbulkan suatu aksi atau gaya dorong (F) yang besarnya merupakan nilai dari kelipatannya.

Gambar 2.4 Gaya aksi atau gaya dorong tumbukan sudu jalan (Joe Cole, 2004, hal. 2)

  Gaya dorong yang dihasilkan (Joe cole, 2004, hal 2)

    F =( m . v ) + ( - m . -v ).

   F = 2 . m . v ................................................................................. 2.11 Dengan :

   = massa(kg/s)

  m

  v = kecepatan (m/s) c. Suatu Penampang yang dengan sudut tertentu terhadap pancaran air.

  Jika pancaran air membentur satu sudu lengkung maka air akan dibelokkan sesuai sudut. Gaya (F) diuraikan berdasarkan komponen- komponennya yaitu sumbu x & y.

  Gaya yang dihasilkan dapat dihitung dengan (Joe cole, 2004, hal 2)

   F x = m . (v

• – v cos ° α) ................................................................ 2.12

   F y = m .v . sin α ................................................................ 2.13

Gambar 2.5 Gaya aksi atau gaya dorong tumbukan penampang sudut tertentu (Joe Cole, 2004, hal. 3) Dalam bagian ini terdapat dua kecepatan yang sama tetapi dipisahkan oleh sudut v sebagai hasil dari hukum cosinus. α dan segitiga yang tertutup oleh garis _{2 2} ∆

  

   v  v  v  _{1 2} 2  v  v  cos (Joe cole, 2004, hal 3) ............. 2.14 _{2 1 2}

   v  2  v  ₂ 2  v cos  (Joe cole, 2004, hal 3).............. 2.15 Sehingga didapat persamaan gaya:

   F  m  v 

  2  1  cos  (Joe cole, 2004, hal 3)............... 2.16

   

2.3.3 Aliran Pergerakan Air pada Turbin

  Pada gambar 2.5 diasumsikan bahwa pancaran air dari nosel masuk kedalam

runner pada titik A dengan sudut  yang bersinggungan dengan keliling runner.

  Kecepatan air sebelum memasuki runner dapat dihitung dengan persamaan (Banki,

  2004, hal 6) ½

  V

  1 =C (2gH) ..................................................................................... 2.17

  dengan : V = kecepatan absolut.

1 H = Head ketinggian

  C = Koefisien berdasarkan nosel komponen

• – komponen kecepatan yang terdapat dalam turbin: V = Kecepatan mutlak, karena daerah sekelilingnya adalah tetap diam tidak bergerak.

  v = Kecepatan relatif, karena berhubungan dengan bagian yang bergerak yaitu sudu jalan turbin.

  α adalah sudut antara kecepatan absolut dengan kecepatan sudu turbin dan β adalah sudut yang dibentuk antara garis yang menyinggung keliling lingkaran

  

runner dengan kecepatan relatif . Dengan indek 1 menandakan kecepatan masuk

dan indek 2 menandakan kecepatan keluar sudu jalan turbin.

Gambar 2.6 Aliran pergerakan air pada turbin (Mockmore, 2004, hal. 6)

  Alur aliran pergerakan aliran air pada kenyataannya tidak seperti yang terdapat dalam gambar 2.5, akan tetapi terdapat defleksi sebesar θ seperti dalam gambar

2.3.4 Efisiensi Turbin Efisiensi (ε) merupakan rasio perbandingan daya output dan daya input.

  2

  2 ) ........................................................... 2.21

  β

  2 -u 1 ) /(cos

  α

  1 = (V 1 cos

  ψ = koefisien empiris yang nilainya sekitar (0,98) Dari diagram kecepatan pada gambar 2.7 didapatkan: v

  1 ........................................................................... 2.20

  ψv

  2 =

  bagian bawah v

  2 (gambar 2.5) yang memasuki

  .............................................. 2.19 Mengabaikan kecepatan air dalam ketinggian h

  1

  cos β

Gambar 2.7 Defleksi pada pergerakan aliran air pada turbin (Mockmore, 2004, hal. 8)

  2

  = v

  2

  cos α

  2

  = V

  2 ) u 1 .......................................... 2.18

  α

  1 + V 2 cos

  α

  1 cos

  HP = (w.Q/g) (V

  Berdasarkan gambar 2.6 dapat diturunkan persamaan daya pengereman Daya pengereman ( Mockmore, 2004, hal 7)

• u
• u

  yaitu 87.8 persen

  1

  β

  1 maka :

  ε = (2C

  2

  u

  1

  / V

  1

  ) (1 + ψ) (cos α

  1

  1

  / V

  ) u

  1

  1 /V 1 =

  2 cos ₁ 

  ε max = 0,5 C

  2 (1 +

  ψ ) cos2 α

  1

  ........................................................ 2.25 Dimana efisiensi di atas benar apabila nilai

  ψ dan C merupakan satu kesatuan dimana tidak ada head loses dan tidak ada gesekan pada nosel dan sudu.

  Nilai efisiensi maksimum tercapai pada sudut masuk α

  1

  16

  o

  ) ............................ 2.24 Dengan =

  /V

  Subtitusi persamaan 2.19, 2.20 dan 2.21 didapatkan persamaan: Hp output =( W Qu

  2g ......................................................... 2.23

  1 /g).(V 1 cos

  α

  1 - u 1 ).(1 +

  ψ cos β

  2 cos

  β

  1 ) .................. 2.22

  Secara teoritis daya input adalah ( Mockmore, 2004, hal 8): HP = W QH/g = W QV

  1

  2

  / C

  2

Gambar 2.8 Defleksi pada pergerakan aliran air pada turbin ( Mockmore , 2004, hal. 8)

  1

  Efisiensi ε = (2C

  2

  u

  1

  /V

  1

  )(1 + ψ cos β

  2

  / cos β

  

1

  ).(cos α

  1

• u

2.3.5 Konstruksi Turbin Crossflow

  α

  

(Mockmore, 2004, hal 10)

  Sudut sudu keluar sisi atas pada keliling dalam runner β

  2

  ‟ merupakan sudut sudu pada keliling dalam dan menyinggung keliling keliling dalam runner.

  Dengan asumsi kecepatan air yang keluar dari sudu jalan sisi atas (v

  1

  ) adalah sama dengan kecepatan air masuk pada sudu jalan sisi bawah ( v2 ) , dan α

  1 =

  2 . Maka

  atau 30

  nilai β

  2

  ‟ dapat ditentukan sesuai gambar 2.9. Maka untuk membuat aliran pancaran radial maka

  β

  2

  ‟=90

  o

Gambar 2.9 Gabungan diagram kecepatan pada turbin Crossflow ( Mockmore , 2004, hal. 11)

  

o

atau nilai pendekatan.

  a. Sudut sudu Sudut sudu masuk sisi atas pada keliling luar runner

  β

  cos α

  1 , (gambar 2.5 dan

  2.7.) dapat ditentukan oleh nilai α

  1 ,V

1 , dan u

  1

  jika u

  1

  = ½ V

  1

  1

  ,50

  maka tan β

  1 = 2 tan

  α

  1

  apabila

  α 1 = 16 o

  maka β

  1 =29 o

  o o

  Sudut masuk sudu sisi bawah pada keliling dalam runner

  1 dengan

  β ‟=90 asumsi tidak ada head loses pada masuknya air pada sudu sisi bawah, dan nilai V

  1

  sebagai berikut ( Mockmore, 2004, hal 10):

  2 ½

  V

  1 2 + ( V 2 ] ................................................................... 2.26

  ‟ = [ 2gh ‟ )

  o

  Dengan asumsi (gambar 2.10 a) maka v

  2

  1

  β ‟=90 „ tidak berhimpit. Untuk

  o

  menghindari terjadi rugi tumbukan, dibutuhkan

  2 lebih besar dari 90 . Nilai

  β perbedaan V

  1 dan V 2 kecil, hal ini dikarenakan head kecil. Untuk itu diasumsikan o o 2 dan nilai

  1 .

  β ‟ tetap 90 β ‟ seperti gambar 2.9 adalah 90 Sudut keluar sudu sisi bawah pada keliliing luar runnner

  2 = 1.

  β β

Gambar 2.10 diagram kecepatan pada turbin Crossflow ( Mockmore , 2004, hal. 11)

  b. Diameter Luar runner (D

  1 ) ( Mockmore, 2004, hal 14) ½

  D

  1 =862H /N ........................................................................... 2.27

  Dengan : H = head ketinggian (in) N = putaran turbin (rpm)

  c. Panjang Turbin (L) ( Mockmore, 2004, hal 15)

  Dengan : Q = Debit aliran air (cfs) C= Koefisien nosel = 0.98 k = Faktor koreksi = 0.087 d. Perbandingan panjang dan diameter turbin (Mockmore, 2004, hal 17)

  LD

  1 = 210.6Q/H ½

  .................................................................. 2.29

  e. Jari-jari kelengkungan sudu ( ρ) (

  Mockmore, 2004, hal 15)

  ρ = 0.3261 r

  1 ............................................................................ 2.30

  dengan : r

  1

  = jari-jari luar runner (in)

  f. Lebar velk radial (a ) Nilai lebar velk radial dapat ditentukan dari persamaan 2.30 dengan mengabaikan tebal sudu ( Mockmore, 2004, hal 12) . a = 0,17D

  1 ........................................................................... 2.31

Gambar 2.11 Kelengkungan sudu (Banki, 2004, hal. 16) g. Jarak antar sudu Meliputi Jarak antar sudu pancaran air masuk (s

  1 ), Jarak sudu pancaran air

  β

  /t ............................................................................ 2.35 i. Jarak pancaran dari poros (y

  1

  n = л D

  Mockmore, 2004, hal 17)

  h. Jumlah sudu (n) (

Gambar 2.12 Jarak antar sudu (Banki, 2004, hal. 9)

  ............................................ 2.34

  1 ( Mockmore, 2004, hal 10)

  1 /sin

  keluar (s

  ............................................ 2.33 Jarak antar sudu t =s

  2 = t(r 2 /r 1 ) ( Mockmore, 2004, hal 11)

  ( Mockmore, 2004, hal 14) ............................................. 2.32 Jarak pancaran air keluar s

  1

  = kD

  1

  Jarak pancaran air masuk s

  2 ) dan jarak antar sudu (gambar 2.11)

  1 ) (gambar 2.12) ( Mockmore, 2004, hal 14)

  y

  , 2004, hal 17) A = Q/V

  β

  1 /(sin

  Tan ½ δ = cosβ

  , 2004, hal 17) So = A / L ............................................................................. 2.51 l. Sudut pusat sudu jalan (gambar 2.11)