Dasar Teori

BAB II DASAR TEORI 2.1 Turbin Air 2.1.1 Sejarah Singkat Turbin Air Menurut sejarahnya, turbin hidraulik sekarang ini berasal dari kincir-kincir air pada abad pertengahan yang dipakai untuk memecah batubara dan keperluan pabrik gandum yang kemudian banyak mengalami modifikasi inovatif dalam meningkatkan efisiensifitasnya pada awal abad ke-18an. Terutama bagi turbin yang menggunakan air sebagai media fluida kerjanya, Benoit Fourneyron (1824-1827) berkebangsaan Prancis menciptakan turbin air (radial-aliran keluar) dengan efisiensi mencapai 85% dilanjutkan oleh James B. Francis dibantu Boyden dan A.H. Swaim (1875) dari Amerika berhasil menciptakan turbin air (radialaliran kedalam) yang sangat efisien. Sementara itu S.N. Knight (1872) dan N.J. Coleman (1873) mengembangkan pasangan mangkuk pada roda turbin yang pada akhirnya disempurnakan oleh Lester G. Pelton pada tahun 1878 sehingga sangat baik untuk tinggi jatuh yang besar. Selanjutnya, Jonval mempelopori rancangan turbin aksial dan Forrest Nagler berhasil menciptakannya (1916) atas petunjuk Victor Kaplan yang menganjurkan penggunaan turbin propeler yang sudunya dapat diatur pitch-nya (1910, Czechoslovakia) sehingga mampu menghasilkan efisiensi tinggi untuk pembebanan yang luas terutama untuk laju aliran air yang besar dan tinggi air jatuh yang rendah. 2.1.2 Pengertian dan Prinsip Kerja Turbin Air 2.1.2.1 Pengertian Turbin Air Turbin adalah mesin penggerak dimana energi fluida yang dipergunakan langsung untuk memutar roda turbin. Jadi, berbeda dengan yang terjadi pada mesin torak, pada turbin tidak terdapat bagian mesin yang bergerak translasi. Bagian turbin yang berputar disebut rotor atau roda turbin, sedangkan bagian yang tidak bergerak disebut stator atau rumah turbin. Roda turbin terletak di dalam rumah turbin dan roda turbin memutar poros daya yang menggerakkan atau memutar bebannya (generator listrik, pompa, kompresor, baling-baling atau mesin lainnya). Di dalam turbin fluida kerjanya mengalami proses ekspansi, yaitu proses penurunan tekanan fluida, dan mengalir secara kontinu. Fluida kerjanya dapat berupa air, uap air, atau gas. Jadi secara garis besar turbin air dapat diartiakan mesin konversi energi yang dapat menghasilkan daya dengan cara mengekspansikan (menurunkan tekanan) fluida yang berupa air yang mengalir secara kontinyu melalui turbin air tersebut. 2.1.2.2 Prinsip Kerja Turbin Air4

Perancangan dan Pembuatan Turbin

Dasar Teori

Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerjanya mengalir melalui ruang diantara sudu tersebut. Apabila kemudian ternyata bahwa roda turbin dapat berputar, maka ada gaya yang bekerja pada sudu tersebut. Gaya tersebut timbul karena terjadi perubahan momentum dari fliuda kerja yang mengalir diantara sudu. Jadi, haruslah sudu yang dibentuk sedemikian rupa sehingga dapat terjadi perubahan momentum pada fluida kerja tersebut. Sedangkan pada turbin air secara garis besar kerja turbin sampai menghasilkan energi lisrtrik adalah dengan memanfaatkan air yang memiliki ketinggian yang mengalir dari tempat yang tinggi (dam/waduk) menuju tempat yang lebih rendah. Dalam hal tersebut air memeilki energi potensial dan di teruskan pada pipa energi potensial atau pipa-pipa pesat lalu masuk ke dalam rumah turbin dan di dalam turbin energi potensial tersebut diubah menjadi energi mekanis yaitu yang terjadi karena perubahan momentum yang diakibatkan oleh air pada ranner sehingga menggerakan poros turbin yang diteruskan untuk menggerakkan poros generator sehingga terjadi perubahan energi mekanis menjadi energi listrik. 2.1.3 Klasifikasi Turbin Air Klasifikasi terhadap turbin utama pada sebuah PLTA didasarkan atas beberapa segisegi hidaulik seperti tekanan, ketinggian aliran jatuh, arah aliran, jarak, kecepatan, daya yang dihasilkan dan lain-lain. Hal tersebut akan dijelaskan lebih lanjut dibawah ini. Berdasarkan penggolongan turbin atas berbagai segi diatas dapat disimpulkan karakteristik jenis-jenis turbin yang umum digunakan, yakni sebagai berikut : Tekanan : - Turbin impuls - Turbin reaksi Klasifikasi Head Head rendah Head sedang Head tinggi Head antara Head sangat tinggi : Turbo-impuls, Pelton : Francis, Kaplan dan Deriaz Tinggi elevasi (m) 2 15 16 70 71 500 300 500 Jenis turbin Kaplan & Tubular Kaplan & Francis Francis & Pelton Deriaz hanya pada kondisi dibawah aliran balik (reversible flow) Pelton dengan modifikasi Tinggi Jatuh Air, H :

> 500

Perancangan dan Pembuatan Turbin

5

Dasar Teori

Tabel 2.1 Jenis turbin berdasarkan tinggi jatuh air Arah Aliran : Jenis turbin Francis Pelton Kaplan Deriaz Arah aliran Radial campuran Tangensial Aksial Diagonal Tabel 2.2 Jenis turbin berdasarkan arah aliran atau

Gambar 1.1 Beberapa jenis impeller Debit, Q : - Debit rendah - Debit sedang - Debit tinggi : Pelton : Francis : Kaplan

Perancangan dan Pembuatan Turbin

4

Dasar Teori

Gambar 2.7 Diagram karakteristik turbin air

Kapasitas Daya, P : Jenis turbin Kaplan Pelton Francis Kecepatan Spesifik,ns'

Kapasitas daya > 150.000 hP > 330.000 hP > 820.000 hP Tabel 2.3 Kapasitas daya yang dihasilkan turbin :

Jenis Turbin Pelton Franccis Kaplan

Kecepatan Spesifik (rpm) Lambat 4 -15 60 -150 300 - 450 Sedang 16 - 30 151 - 250 Cepat 31 - 70 251 - 400

451 - 700 701 - 1100 Tabel 2.4 Kecepatan spesifik turbin

Agar turbin bekerja pada kondisi maksimum dan mencegah kavitasi, maka tinggi jatuh air harus dibatasi dengan jenis turbinnya. Perubahan pembebanan dapat menyebabkan perubahan pada efisiensi turbin Kaplan dengan posisi daun sudu yang dapat disusun sesuai dengan besar pembebanan, dapat mempertahankan efisiensi maksimumnya. Turbin berukuran sedang dan besar biasanya dipasang dengan poros vertikal, sedangkan yang berukuran kecil dipasang dengan posisi poros horizontal.

Jenis Turbin

Batas Tinggi Air Jatuh Hmin (% H Hmax (% H Rancangan)4

Rancangan)

Perancangan dan Pembuatan Turbin

Dasar Teori

Turbin Francis Turbin

65

125

50 150 Propeler Tabel 2.6 Batas tinggi air jatuh turbin Ukuran Turbin : Jenis Penggera k Pelton Francis Kaplan Maks. Head (m) 300 2000 30 500 2 - 70 Maks.Daya (hP) Sampai 330.000 960.000 300.000 Maks.Diamet er Sudu impeler(m) 5,5 10 10 Kec.Spe sifik (rpm) 4 - 70 60 400 300

1100 Tabel 2.5 Ukuran turbin

2.2 Komposit 2.2.1 Pengertian dan Klasifikasi Komposit Kata komposit dalam pengertian bahan komposit berarti terdiri dari dua atau lebih bahan yang berbeda yang digabung atau dicampur secara makroskopis menjadi suatu bahan yang berguna (Jones,1975), karena bahan komposit merupakan bahan gabungan secara makro, maka bahan komposit dapat didefinisikan sebagai suatu sistem material yang tersusun dari campuran/kombinasi dua atau lebih unsur-unsur utama yang secara makro berbeda di dalam bentuk dan atau komposisi material yang pada dasarnya tidak dapat dipisahkan. (Schwartz, 1984). Pada umumnya bahan komposit terdiri dari dua unsur, yaitu serat (fiber) dan bahan pengikat serat-serat tersebut yang kombinasi dua atau lebih disebut matriks. Komposit juga dapat dibentuk dari material, baik logam, organik ataupun inorganik. Kombinasi

material yang mungkin di dalam komposit tidak terbatas, namun unsur pokok dari bentuknya terbatas. Unsur pokok dalam komposit adalah serat, partikel, lamina atau lapisan, flake, filler, dan matriks. Matriks adalah unsur pokok tubuh komposit yang menjadi bagian penutup dan pengikat struktur komposit. Serat, partikel, lamina (lapisan), (Schwartz, 1984 : 1.3). Unsur utama komposit adalah serat. Serat inilah yang terutama menentukan karakteristik bahan komposit, seperti : kekakuan, kekuatan serta sifat-sifat mekanik yangPerancangan dan Pembuatan Turbin

flake, filler dan matriks

merupakan unsur pokok struktur karena unsur tersebut menentukan struktur internal komposit

4

Dasar Teori

lainnya. Seratlah yang menahan sebagian besar gaya-gaya yang bekerja pada bahan komposit, sedangkan matriks bertugas melindungi dan mengikat serat agar dapat bekerja dengan baik. Salah satu keuntungan material komposit adalah kemampuan material tersebut untuk diarahkan sehingga kekuatannya dapat diatur hanya pada arah tertentu yang kita kehendaki. Hal ini dinamakan "tailoring properties" dan ini adalah salah sifat istimewa komposit dibandingkan dengan material konvensional lainnya. Selain kuat, kaku dan ringan komposit juga memiliki ketahanan terhadap korosi yang tinggi serta memiliki ketahanan yang tinggi pula terhadap beban dinamis (Hadi, 2000), oleh karena itu, untuk bahan serat digunakan bahan yang kuat, kaku dan getas, sedangkan bahan matriks dipilih bahan-bahan yang liat dan lunak. Selain itu, keuntungan lain penggunaan komposit antara lain ringan, tahan korosi, tahan air, performance-nya menarik, dan tanpa proses pemesinan.beban konstruksi juga menjadi lebih ringan. Komposit yang terbentuk mempunyai sifat mekanik dan karakteristik yang berbeda dari material-material pembentuknya. Komposit yang dibentuk dari dua jenis material yang berbeda, yaitu: 1. Penguat (reinforcement) 2. Matriks, meliputi transfer energi pengikat Dalam mendesain material komposit harus berdasar pada dua hal pokok pikiran yaitu: 1. Bahan/material yang dibuat harus difahami sifat mekasisnya lebih murah (ekonomis), mencakup proses teknologi yang akan di gunakan untuk pembuatan material. 2. Harus ada efek sinergetik dari bahan/material yang akan di buat. Ini unggul dari material dasarnya. Berdasarkan penguat yang digunakan dalam pembentukan komposit, maka secara garis besar komposit dapat diklasifikasikan dalam tiga jenis, yaitu: 1. Komposit Serat (Fibrous Composites) Merupakan jenis komposit yang hanya terdiri dari satu lapisan (lamina) yang menggunakan penguat berupa serat. Serat yang digunakan bisa berupa serat gelas, serat karbon dan lain sebagainya. Serat ini disusun secara acak maupun dengan orientasi tertentu bahkan dapat juga dalam bentuk yang lebih kompleks seperti anyaman berarti penggabungan dari dua bahan/material atau lebih didapatkan material baru yang lebih

Perancangan dan Pembuatan Turbin

5

Dasar Teori

Gambar 2.1. Komposit Serat 2. Komposit Laminat (Laminated Composites) Merupakan jenis komposit yang terdiri dari dua lapis atau lebih yang digabung menjadi satu dan setiap lapisnya memiliki karakteristik sifat sendiri.

Gambar 2.2. Komposit laminat 3. Komposit Partikel (Particulalate Composites) Merupakan komposit yang menggunakan partikel/serbuk sebagai penguatnya dan terdistribusi secara merata dalam matriksnya. 2.2.2 Serat Alam Serat alam adalah serat yang bayak diperoleh di alam sekitar, yang berasal dari tumbuhtumbuhan seperti serat pelepah pisang, bambu, nenas, rosella, kelapa, ijuk, dan lain-lain. Saat ini, serat alam mulai mendapatkan perhatian yang serius dari para ahli material komposit karena: serat alam memiliki kekuatan spesifik yang tinggi karena serat alam memiliki massa janis yang rendah. serat alam mudah diperoleh dan merupakan sumber daya alam yang dapat diolah kembali, harganya relatif murah, dan tidak beracun.Perancangan dan Pembuatan Turbin

4

Dasar Teori

Serat alam seperti ijuk, sabut kelapa, sisal, rami, nanas dan lain-lain merupakan hasil alam yang banyak tumbuh di Indonesia.

Sabut Sifat sifat Massa jenis (gram/cm ) Sudut MicroFibrillar(derajat) KandunganSelulos a/Lignin (%) Modulus elastisitas (GN/m ) Kekenyalan (MN/m ) Elongasi (%) Jute Pisang Sisal Nanas kelapa

1,3 8,1 61/12 440533 1-1,2

1,35 11 65/5 8-20 529754 1,0-3,5

1,45 10-22 67/12 9-16 568640 3-7

1,44 14-18 81/12 34-82 4131627 0,8-1,6

1,15 30-49 43/45 4-6 131175 15-40

Tabel 2.1 Sifat sifat fisik dan kimia beberapa serat alam 2.2.3 Matriks / Resin Unsaturated Polyester Resin (UPR)

Perancangan dan Pembuatan Turbin

4

Dasar Teori

Unsaturated polyester resin

(UPR)

merupakan jenis resin termoset atau

lebih

populernya sering disebut polyester saja. UPR berupa resin cair dengan viskositas yang relatif rendah, mengeras pada suhu kamar dengan penggunaan katalis tanpa menghasilkan gas sewaktu pengesetan seperti banyak resin termoset lainnya. Unsaturated Polyester Resin yang digunakan dalam penelitian ini adalah seri Yukalac 157 BQTN-EX Series, di mana memiliki beberapa spesifikasi sendiri.

Tabel 2.2 Spesifikasi Unsaturated Polyester Resin Yukalac 157 BTQN-EX (Justus, 2001) Catatan : Kekentalan (Poise, pada 25 C ) : 4,5 5,0 Thixotropic Index : > 1,5 Waktu gel (menit, pada 30oC) : 20-30 Lama dapat disimpan (bulan) : < 6, pada 25 Formulasi : Bagian Resin MEKPO 100 1

2.2.4 Katalis Metyl Etyl Keton Peroksida (MEKPO) Katalis yang digunakan adalah katalis Methyl Ethyl Keton Peroxide (MEKPO) dengan bentuk cair, berwarna bening. Fungsi dari katalis adalah mempercepat proses pengeringan (curring) pada bahan matriks suatu komposit. Semakin banyak katalis yang dicampurkan pada cairan matriks akan mempercepat proses laju pengeringan, tetapi akibat mencampurkan katalis terlalu banyak adalah membuat komposit menjadi getas. Penggunaan katalis sebaiknya diatur berdasarkan kebutuhannya. Pada saat pencampurkan katalis ke dalam matriks maka akan timbul reaksi panas (60o-90oC). 1.2.5 Karakteristik Material Komposit 2.2.5.1 Volume Layer,Volume Serat dan Massa SeratPerancangan dan Pembuatan Turbin

4

Dasar Teori

Salah satu faktor yang sangat penting dalam menentukan karakteristik material komposit adalah kandungan/prosentase antara matriks dan serat. Sebelum melakukan proses pencetakan komposit, telebih dahulu dilakukan penghitungan mengenai volume skin/layer komposit (Vskin/layer), volume serat (Vserat), massa serat (mserat) sebelum komposit dicetak. a. Volume Skin/Layer (Vskin) Vskin = pskin lskin tskin .......................................................(2.1) di mana: Vskin Pskin lskin tskin = Volume skin/layer sebelum dicetak = Panjang skin/layer sebelum dicetak = Lebar skin/layer sebelum dicetak (cm) = Tinggi skin/layer sebelum dicetak (cm) (cm3) (cm)

.(2.2) di mana: Vskin = Volume skin/layer sebelum dicetak (cm3) Vserat = Volume serat sebelum dicetak (cm3) Fraksi Volume = Fraksi volume yang digunakan (%) c. Massa Serat (mserat) V = m serat . serat (2.3)

serat

di mana: mserat = Massa serat sebelum dicetak (gr) Vserat = Volume serat sebelum dicetak (cm3) serat = Massa jenis serat sebelum dicetak (gr/cm3) 2.2.5.2 Kekuatan tarik komposit Salah satu pengujian tegangan dan regangan (stress strain test) adalah pengujian tarik (tension test). Dari pengujian ini dapat kita ketahui beberapa sifat mekanik material yang sangat dibutuhkan dalam desain rekayasa. Hasil dan pengujian ini adalah grafik beban versus perpanjangan (elongation). Beban dan elongation dapat dirumuskan: Engineering Stress /Tegangan Teknis ( )

Perancangan dan Pembuatan Turbin

5

Dasar Teori

.. (2.4) di mana : F A0 (mm2) = Engineering Stress (tegangan) (MPa). = Beban yang diberikan dalam arah tegak lurus terhadap g spesimen (N). = Luas penampang mula-mula spesimen sebelum diberikan , pembebanan

Engineering Strain/Regangan Teknik ( )

(2.5) di mana : li L = Engineering Strain (regangan) ,pembebanan = panjang spesimen setelah ditarik = pertambahan panjang lo = Panjang mula-mula specimen sebelum diberikan

Perancangan dan Pembuatan Turbin

5

Dasar Teori

Standard pengujian yang digunakan ASTM D3039 Engineering strain atau sering disebut strain tidak persatuan,tetapi meter per meter atau inch per inch kadang juga digunakan, atau juga dapat dijadikan prosentase dengan mengalikan 100 (Callister,1997).

Perancangan dan Pembuatan Turbin

4