283-Anjar- Perancangan Turbin Pelton 5

Pusat Penelitian Informatika - LIPI

Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 1

Perancangan Turbin Pelton

Anjar Susatyo, Lukman Hakim Puslit Tenaga Listrik dan Mekatronik-LIPI

ABSTRAK

Turbin Pelton adalah turbin reaksi di mana satu atau lebih pancaran air menumbuk roda

yang terdapat sejumlah mangkok. Masing-Masing pancaran keluar melalui nozzle dengan

valve untuk mengatur aliran. Turbin pelton hanya digunakan untuk head tinggi. Nozzel

turbin berada searah dengan piringan runner. Pada penelitian ini dilakukan perhitungan

untuk mendapatkan dimensi mangkok runner turbin pelton. Mangkok runner ini dirancang

agar dapat menerima energi kinetik dan mengambil energi tersebut menjadi torsi pada

poros generator.

ABSTRACT

Pelton turbine is a reaction turbine in which one or more water stream strikes a wheel that

is equipped with several bowls. Each stream is shot out through a nozzle and valves

regulate each stream flow. Pelton turbine can only be used for high head. Turbine nozzle is

aligned with the disc runner. In this research calculation was conducted to obtain Pelton

turbine runner bowl dimension. Runner bowl is designed so as to enable the conversion of

kinetic energy received into torque at generator shaft. PENDAHULUAN

Latar Belakang

Kebutuhan energi listrik dewasa ini kian meningkat, berbagai upaya terus dilakukan baik

dengan mencari potensi energi baru ataupun dengan mengembangkan teknologinya. Selain

dari kebutuhan energi listrik meningkat, juga terdapat daerah yang kondisi geografisnya

tidak memungkinkan jaringan listrik sampai kepada konsumen. Maka dari permasalahan

tersebut dilakukanlah suatu upaya untuk menyuplai kebutuhan energi listrik dengan

memanfaatkan kondisi dan potensi yang ada pada daerah tersebut. Misalkan ada suatu

daerah yang memiliki potensial air yang headnya mencukupi untuk dibuat pembangkit

listrik, maka didaerah tersebut dapat dipasang pembangkit tenaga listrik yang

Bandung, 29 – 30 Juli 2003

2 Pemaparan Hasil Litbang 2003

menyesuaikan dengan besar kecilnya head yang tersedia. Atau potensi-potensi alam yang

lain yang memungkinkan untuk dibangunnya pembangkit tenaga listrik.

Dengan keadaan geografis daerah-daerah di Indonesia yang memiliki potensi air dengan

head yang memadai untuk sebuah pembangkit berskala kecil, maka dengan kondisi

tersebut banyak dikembangkan teknologi pembangkit-pembangkit berskala kecil yang

biasa dikenal sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH). Teknologi

PLTMH ini terus dikembangkan baik dari segi peralatannya ataupun dari segi efisiensinya.

PLTMH dibuat tergantung dari seberapa besar head air yang ada dan berapa besar energi

listrik yang akan dihasilkan. Untuk PLTMH kapasitas daya energi listrik yang

dihasilkannya dibawah 100Kw.

Berbagai teknologi pembangkit pun telah banyak diterapkan dalam PLTM baik dari sisi

turbin dan instrumen. Di dalam turbin kita mengenal beberapa jenis turbin yang di

pergunakan, kita dapat mempergunakan turbin francis, Kaplan atau pelton. Penggunaan

turbin tersebut tergantung dari potensi head yang dimiliki. Seperti dalam hal ini turbin

pelton yang menggunakan prinsip impuls memerlukan head yang cukup tinggi.

Dikarenakan masih sedikitnya turbin pelton yang digunakan untuk PLTMH, maka atas

dasar inilah turbin ini dibuat untuk keperluan penelitian lebih lanjut. Tujuan

Tujuan yang ingin dicapai dalam perancangan ini adalah:

1. Mengindentifikasi pengaruh perubahan jumlah nozel

2. Mencermati efisiensi daya turbin pelton

3. Melihat pengaruh bentuk mangkok terhadap keluaran air Rumusan Masalah

Pada penelitian ini difokuskan kepada perancangan turbin pelton baik dari segi bentuk

sudu-sudunya, jumlah sudu, head dan debit air yang diperlukan. Sekaligus menganalisa

pengaruh yang terjadi akibat penentuan dari hasil perancangan terhadap output dayanya

sekaligus dengan efisiensi yang terjadi. Batasan Masalah

Batasan masalah pada tugas akhir ini



o Pengukuran daya turbin yang dihasilkan

o Pengaruh perubahan jumlah nozel terhadap daya yang dihasilkan

o Kapasitas head yang tersedia 30 meter konstan dan debit 0,02 m3/s Metodologi

Metode penelitian yang dilakukan :

a. Observasi, yaitu melakukan observasi ke lapangan mengenai peralatan, bahan, dan

komponen yang dibutuhkan dalam pembuatan alat.

b. Perancangan mangkok turbin pelton

c. Pembuatan prototipe.

d. Pengujian lapangan.

DASAR TEORI

Turbin Air

Turbin air adalah merupakan mesin penggerak yang merubah energi potensial menjadi

energi mekanik dengan air sebagai fluida kerjanya. Menurut sejarahnya turbin hidrolik

sekarang berasal dari kincir-kincir air pada jaman abad pertengahan yang dipakai untuk

memecah batu bara dan keperluan pabrik gandum. Salah satu kincir air tersebut dapat

dilihat di Aungrabad (India) yang telah berumur 400 tahun-an. Daya Turbin

Daya turbin air ditentukan oleh besarnya debit air dan tinggi jatuh air (head) serta efisiensi

dari turbin air tersebut. Daya turbin air ditentukan menurut persamaan sebagai berikut :]

1000ηρ ××Η××

=ΡQg

Di mana : P : daya turbin (watt)

ρ : massa jenis air (1000 kg/m³)

g : gravitasi (m/s²)

H : head (tinggi jatuh air) (m)

Q : debit (m³/s)

η : efisiensi turbin (%)



Efisiensi Turbin

Efisiensi turbin ditentukan oleh perbandingan daya hidraulik dengan daya poros turbin.

Dalam bentuk persamaan adalah sebagai berikut :

%100×Ρ

Ρ=

Τ

Ηη atau %100×

×Η×××Τ

=Τ Qgρωη

Di mana : PT : daya poros (watt)

PH : daya hidraulik (watt)

T : torsi (Nm)

ω : kecepatan sudut (rad/s) Jenis Turbin

Pengelompokkan jenis turbin dapat didasarkan dari cara kerjanya, konstruksinya (susunan

poros dan pemasukkan air) dan kecepatan spesifiknya. Jenis turbin menurut cara kerjanya

a. Turbin aksi atau turbin impuls

Turbin aksi atau impuls adalah turbin yang berputar karena adanya gaya impuls dari

air. Yang termasuk kedalam turbin jenis ini yaitu turbin pelton.

b. Turbin reaksi

Pada turbin reaksi air masuk kedalam jaringan dalam keadaan bertekanan dan

kemudian mengalir ke sudu. Sewaktu air mengalir ke sekeliling sudu piringan, turbin

akan berputar penuh dan saluran belakang (tail race) akan terendam air seluruhnya.

Tinggi angkat air sewaktu mengalir ke sekeliling sudu akan diubah menjadi tinggi

angkat kecepatan dan akhirnya berkurang hingga tekanan atmosfer sebelum

meninggalkan pringan turbin. Yang termasuk kedalam jenis ini adalah turbin francis

dan kaplan. Jenis turbin berdasarkan susunan poros

a. Turbin poros vertikal

Yang termasuk turbin jenis ini adalah turbin propeller dan turbin pelton.

b. Turbin poros horizontal

Yang termasuk turbin jenis ini adalah turbin crossflow, francis dan kaplan.



Turbin Pelton

Pengenalan turbin pelton

Turbin pelton merupakan pengembangan dari turbin impuls yang ditemukan oleh S.N.

Knight (1872) dan N.J. Colena (1873) dengan pasang mangkok-mangkok pada roda

turbin. Setelah itu turbin impuls dikembangkan oleh orang amerika Lester G. Pelton (1880)

yang melakukan perbaikan dengan penerapan mangkok ganda simetris, punggung

membelah membagi jet menjadi dua paruh yang sama yang dibalikan menyamping.

Pada turbin pelton putaran terjadi akibat pembelokan pada mangkok ganda runner (lih.

Gbr) oleh sebab itu turbin pelton disebut juga sebagai turbin pancaran bebas.

Turbin Pelton merupakan suatu jenis turbin yang mengandalkan suatu reaksi impuls dari

suatu daya yang dihasilkan dari daya hidrolisis. Semakin tinggi head yang dimiliki maka

semakin baik untuk turbin jenis ini. Walaupun ns (kecepatan spesifik) relatif kecil tapi

memungkinkan untuk kecepatan yang tinggi dengan ketentuan jumlah nosel yang banyak

dalam meningkatkan daya yang lebih tinggi. Sehingga jika putaran dari generator yang

dikopel ke turbin semaki tinggi, maka generator yang digunakan akan semakin murah.

Untuk lebih jelasnya bisa dilhat grafik berbagai jenis turbin antara Head dan ns-nya.

Dalam perancangan turbin pelton telah ada suatu ketentuan yang mengatur dari

desain/rancangan turbin pelton secara baku.intinya kita tinggal menggunakan beberapa



parameter utama untuk menghasilkan dimensi yang lain. Dalam grafik di bawah ini akan

ditunjukkan hubungan antara Head dengan ns juga jumlah nosel dan kisaran jumlah

mangkok (sudu).

Tipe turbin pelton

Ada beberapa jenis turbin pelton menurut posisi turbinnya, yaitu :

1. Turbin Poros Horizontal ; turbin ini digunakan untuk head kecil hingga menengah.

Makin bayak aliran air yang dibagi dalam arti makin banyak nosel yang digunakan,

makin bisa dipertinggi pula pemilihan kecepatan turbin. Sedangkan makin cepat

putaran turbin makin murah harga generatornya. Untuk dapat menghasilkan daya

yang sama 1 group turbin dengan 2 roda akan lebih murah daripada dengan dua

buah turbin yang masing-masing dengan satu buah roda.

2. Turbin Poros Vertikal ; Dengan bertambahnya daya yang harus dihasilkan turbin,

maka untuk turbin pelton dilengkapi dengan 4 s/d 6 buah nosel. Sedangkan

penggunaan 1 atau 2 buah pipa saluran air utama tergantung kepada keadaan

tempat dan biya pengadaannya. Dimensi utama turbin pelton

Standarisasi untuk penentuan suatu turbin pelton telah ditetapkan. Jadi untuk perancangan

turbin pelton ini, cukup mengetahui dimensi dari diameter nosel (d) dan diameter lingkaran

tusuk (Dlt).

Rumus untuk penentuan d dan Dlt :



nQ

kuDlt ××= 5,84

Dimana : ku : Koefisien kecepatan (0,44-0,46)

Q : Debit (m3/s)

H : Head (m)

Untuk mengetahui dimensi-dimensi lain dari turbin pelton khususnya pada bagian

mangkoknya, dapat diketahui dari dimensi utama yaitu dengan mempergunakan diameter

nosel (d) untuk lebih jelas lihat gambar berikut ini :

L = ( 2,3 – 2,8 ) . d β2I = 30 o - 40 o

B = ( 2,8 – 3,4 ) .d β2II = 20 o - 30 o

T = ( 0,6 – 0,9 ) . d β2III = 10 o - 20 o

a = (0,95 – 1,05 ) . d β2IV = 5 o - 10 o

b = (0,18 – 0,20 ) . d β2V = 0 o - 5 o

β1 = 5 o - 7 o

Kisaran jumlah mangkok

Untuk menentukan kisaran mangkok dapat digunakan persamaan sebagai berikut :

dD

Z lt

2×

=π

Di mana : Z : Kisaran jumlah mangkok

D lt : Diameter lingkaran tusuk (mm)

d : diameter jet / nosel (mm)



Langkah pemodelan

Rumus-rumus di atas merupakan dimensi sebenarnya untuk turbin pelton tersebut, karena

ada suatu keperluan untuk mengnalisa fenomena turbin pelton hal yang lebih baik

dilakukan langkah pemodelan. Langkah ini di lakukan untuk mempermudah dan

meringankan segala hal. Dengan pemodelan ini dapat dilakukan bebas dilakukan berbagai

kondisi bisa melakukan perubahan Head, debit dan sebagainya. Yang perlu diingat bahwa

pemodelan tidak mengurangi prisip kerja secara asli dari turbin yang telah kita rancang,

karena kita mempergunakan prisip kesebangunan. Walaupun ukuran lebih kecil tapi pada

dasarnya sama yang penting ns-nya harus tetap sama. Adapun rumus kesebangunan yang

digunakan, yaitu :

Scala = =

Di mana : Dltp : Diamter lingkaran tusuk sebenarnya (mm)

dp : diameter nosel sebenarnya (mm)

Dltm : Diamter lingkaran tusuk model (mm)

dm : diameter nosel model (mm) Nozzel

Dalam turbin pelton nosel merupakan hal penting dalam proses kerjannya, karena nosel

memiliki fungsi utama dalam meningkatkan daya turbin. Karena turbin pelton memperoleh

daya hidrolis menggunakan prinsip impuls aliran air dari nosel tersebut. Seperti yang telah

dikemukakan di atas perubahan banyaknya nosel dapat meningkatkan daya yang akan di

bangkitkan oleh turbin tersebut.

Suatu nosel mempunyai ukuran tertentu, dalam hal ini diameter nosel tersebut. Diamater

nosel sangat berpengaruh kepada dimensi dari kontruksi turbin pelton secara keseluruhan

(khususnya dalam dimensi sudu). Secara umum rumus nosel adalah sebagai berikut :

HQd 54,0=

di mana :

d : diameter nosel (mm)

Dltpdp

Dltm dp



PERHITUNGAN DAN HASIL

Perhitungan Dimensi Utama

Dalam mencari debit air dalam kasus ini dimisalkan ada suatu potensi air dengan head 30

m. dari head inilah kita dapat menentukan turbin yang akan dipakai. Sesuai dengan grafik

ditentukan besaran sebagai berikut:

D/d = 60 , jumlah Nozel = 2 buah, didapat Ns (kecepatan spesifik) =6,56

1. Perhitungan pada Skala sebenarnya

a. Perhitungan Debit

Pada penentuan debit sesuai rumus yang ada maka kita harus memilih

kecepatan sinkron generatornya sebesar 750 rpm. Maka debit yang

dihasilkan adalah sebagai berikut :

75,0HQn

N s =

75,01200750

56,6Q

=

Q = 3,18 m3/s

b. Perhitungan kecepatan pancaran air

Perhitungan ini diperlukan untuk mengetahui berapa kecepatan air dengan

potensi head tertentu, sesuai rumus di atas maka di dapat :

HgC ××= 2

12008,92 ××=C

C = 23520 m/s

c. Perhitungan kecepatan keliling optimum

Sesuai rumus didapatkan :

2CU =

223520

=U

U = 11760 m/s

d. Perhitungan diameter jet (nozel)

Dari rumus di atas maka dimensi ujung nozel sebagai berikut :



H

Qd 54,0=

1200

18,354,0=d

d = 0,164 m

e. Perhitungan kecepatan diameter lingkaran tusuk

Dengan menggunakan rumus di atas maka dapat diketahui sebgai berikut :

nQ

kuDlt ××= 5,84

750120046,05,84 ××=ltD

ltD = 17,95 mm

2. Langkah Pemodelan (Prototype)

Dari perhitungan skala sebenarnya di atas maka dapat dilakukan langkah

selanjutnya yaitu langkah pemodelan. Langkah ini harus memiliki syarat yaitu

harga Ns harus tetap, dan harga lain bebas berekspresi kegiatannya bersifat

laboratorium.

Penskalaan atas dimensi sebenarnya dengan model adalah 1 : 10

a. Perhitungan diameter jet (nozel)

Dimensi pada skala model dapat diketahui dengan membagi dengan angka

perbandingan 1 : 10

mmdatau

md

el

el

4,16

0164,010164,0

mod

mod

=

==

b. Perhitungan kecepatan diameter lingkaran tusuk

Sama halnya dengan yang di atas, Dlt yang didapat :

mD ellt 1795,010795,1

mod == atau 95.17mod =elltD mm

c. Penentuan jumlah mangkok

Dengan mengunakan rumus :



el

ellt

dD

Zmod

mod

2×

=π

,4,1625,179

××

=πZ

Z = 17,18 buah mangkok, dibulatkan menjadi 17 buah mangkok.

d. Penentuan dimensi utama mangkok

L = ( 2,5 ) . dmodel β2I = 35 o

L = 41 mm

B = (3,1) . dmodel β2II = 25 o

B = 31,84 mm

T = ( 0,7) . dmodel β2III = 15 o

T = 11,48 mm

a = (1,00 ) . dmodel β2IV = 8 o

a = 16,4 mm

b = (0,19) . dmodel β2V = 4 o

b = 3,11 mm β1 = 6 o Perancangan Rumah Turbin

Rumah turbin/casing dirancang untuk mendukung komponen komponen turbin pelton

secara keseluruhan dan mampu melindungi bagian generator dari air.

Gambar perancangan

mangkok turbin pelton



Gambar perancangan

mangkok turbin pelton

bentuk solid 3d

Gambar hasil

pengecoran bahan

allumunium bronze

Gambar perancangan

disk runner

Gambar perancangan

nosel



Gambar perancangan

rumah turbin pelton

KESIMPULAN

Dari hasil perhitungan suatu potensi air dengan head 30 m, dengan kecepatan spesifik 6,56,

putaran kecepatan sinkron generatornya sebesar 750 rpm, debit yang dibutuhkan (Q)

0,00318 m3/s. Untuk debit dan head tersebut diperlukan dimensi nosel dengan diameter ( d

) 0,164 m, diameter lingkaran tusuk ( ltD ) 17,95 mm, jumlah mangkok 17 buah mangkok

dengan dimensi mangkok turbin pelton sesuai gambar. DAFTAR PUSTAKA

Smith, Nigel, & Maher, Philip, (2001), “Pico Hydro For Village Power”, A Practical

Manual for Schemes up to 5 kw in Hilly Areas, Edition 2, May .

Arismunandar, Wiranto, (1995), “Penggerak Mula Turbin”, ITB, Bandung.

Penche, Celco, ”Layman’s Guidebook, On How to Develop a small hydro site”, Europen

Small Hydropower Association.

Bachmann, J.,” Hydraulicsche maschine”.

Arter, Alex, (1990), “Hydraulic Engineering Manual”, SKAT, Switzerland.

Sayers, A.T., (1992), “Hydraulic and Compressible Flow Turbomachines”, McGraw-Hill

Book Company, London.

Banga, T.R., (1977), “Hydraulic Machines”, Khanna Publishers, New Delhi.

Dandekar, M.M., (1991), “Pembangkit Listrik Tenaga Air”, Penerbit UI, Jakarta.

283-Anjar- Perancangan Turbin Pelton 5

Documents

Transcript of 283-Anjar- Perancangan Turbin Pelton 5