PRAKTIKUM PENGUJIAN MESIN (MS4102)

Modul III

PENGUJIAN TURBIN KAPLAN

Oleh:

Kelompok 7

Anggota:

1. 13110015 Daniel A.P. Subeng

2. 13110097 Daniel

3. 13110120 Azman Azka

4. 13110121 Rifki Ruriardi

5. 13110125 Alfi Hadi Firdaus

6. 13110130 M. Fathul Fajri

7. 13110131 Albert Han

8. 13110133 Gerry Hamoraon

9. 13110136 Handy Pratama

10. 13110138 Kevin Jovianto Cane

11. 13110139 Roland Dimas W

Tanggal Praktikum: 23 Oktober 2013

Asisten Pengawas: Yan Manurung

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

2013

PENGUJIAN TURBIN KAPLAN

1. TUJUAN PRAKTIKUM

Untuk mengetahui cara-cara pengujian turbin Kaplan.

Untuk mengetahui karakteristik dan unjuk kerja dari turbin yang diuji meliputi:

- Karakteristik kapasitas keluaran turbin yaitu daya keluaran pada kecepatan putar

poros dan head yang konstan

- Karakteristik efisiensi turbin pada kecepatan putar poros optimum dan head

konstan (kurva efisiensi-kapasitas atau berubah-ubah/kurva iso-efisiensi)

2. INSTALASI PENGUJIAN

Turbin air yang diuji ini merupakan turbin Kaplan dengan poros horisontal.

Momen keluaran turbin diukur dengan dinamometer rem yang terpasang di ujung poros

turbin. Besarnya ditentukan dari perbedaan posisi seimbang pegas. Posisi nol pegas harus

ditentukan sebelum pengujian dilakukan. Daya turbin ditentukan dari momen keluaran

dan putaran poros yang diukur dengan tachometer.

Daya poros turbin dapat diatur dengan mengubah sudut sudu-sudu turbin dan guide

vane. Daya turbin diatur oleh sejumlah guide vane yang dapat digerakkan dengan batang

tangan. Laju aliran air dapat dihitung dengan mengukur perbedaan tekanan. Instalasi

pengujian dapat dilihat pada Gambar 1. Sejumlah katup terpasang pada instalasi dapat

digunakan untuk mengatur arah aliran air.

Gambar 1. Instalasi Pengujian Turbin Kaplan

3. PENGOPERASIAN TURBIN

Dalam pengoperasian turbin Kaplan untuk pengujian ini, beberapa hal

yang perlu diperhatikan adalah:

a. Operasi turbin harus selalu dilakukan dengan “maju” (daya membesar)

b. Beban momen turbin diperbesar dengan mengatur beban pada pegas rem

c. Selisih tekanan pada sisi isap dan sisi masuk turbin dapat dibaca

pada manometer pipa “U”.

Sebelum pengujian dilakukan, beberapa persiapan dan pemeriksaan awal harus

dilakukan. Adapun pemeriksaan awalnya adalah:

Memeriksa alat-alat apakah semua dalam keadaan baik.

Memeriksa kondisi pembaca tekanan pada sistem pengujian Turbin Kaplan

Masukkan tombol listrik kemudian ubah saklar ke posisi “on”

Buka penuh semua katup yang ada pada sistem Turbin Kaplan

Nyalakan Pompa pada sistem, pastikan semua katup telah terbuka

Mencatat kondisi awal yang ditunjukkan oleh semua alat ukur.

Untuk setiap kondisi pengujian, berikut ini parameter-parameter yang diamati:

o Sudut pengarah aliran pada Turbin Kaplan

o Kecepatan putar turbin pada kondisi 1, 2, 3, 4, dan 5

o Beda head pada Ventury pada kondisi 1, 2, 3, 4, dan 5

o Beda head masuk dan keluar turbin pada kondisi 1, 2, 3, 4, dan 5

o Gaya yang terukur pada dinamometer pada kondisi 1, 2, 3, 4, dan 5

4. DATA HASIL PENGUJIAN

Data pengujian yang telah dilakukan sebagai berikut:

Tabel 4.1 Data Hasil Pengujian

nΔHventury ΔHst F

[rpm] [mm Hg] [mm Hg] [N]

1 1720 180 90 0.15

2 1575 150 70 0.12

3 1255 100 60 0.1

4 1075 76 40 0.08

5 955 42 26 0.08

1 1780 190 80 0.2

2 1570 160 70 0.15

3 1200 110 50 0.13

4 1030 80 42 0.12

5 900 70 36 0.11

1 1690 200 90 0.17

2 1430 160 70 0.14

3 1190 100 56 0.13

4 980 80 44 0.12

5 860 60 30 0.12

No α

20

0

-20

Dventuri (m) 0.12

Dpipa (m) 0.08

9800 N/m3

133280 N/m3

g 9.8 m/s^2

∆z 0.5 m

jari2 rotor 0.075 m

5. PENGOLAHAN DATA HASIL PENGUJIAN

5.1. Persamaan yang Digunakan

Debit Aliran

√ [

]

Kecepatan Sudut

Daya Turbin

Head Turbin yang tersedia

Daya Turbin yang tersedia

Efisiensi

5.2.Pengolahan Data Hasil Pengujian

Dengan menggunakan persamaan di atas, data hasil pengujian yang telah

diolah akan disajikan dalam tabel di bawah ini

Tabel 4.2 Pengolahan Data Hasil Pengujian

F ΔHventury ΔHstkecepatan

sudut Q Ht

(N) [mm Hg] [mm Hg] rad/s m^3/s (m)

1 0.15 180 90 180.11798 1.183056 1.634

2 0.12 150 70 164.93361 1.079977 1.382

3 0.1 100 60 131.42329 0.881798 1.256

4 0.08 76 40 112.57374 0.768733 1.004

5 0.08 42 26 100.00737 0.57147 0.8276

1 0.2 190 80 186.40116 1.215474 1.508

2 0.15 160 70 164.41002 1.115396 1.382

3 0.13 110 50 125.66371 0.924837 1.13

4 0.12 80 42 107.86135 0.788704 1.0292

5 0.11 70 36 94.24778 0.737765 0.9536

1 0.17 200 90 176.97639 1.24705 1.634

2 0.14 160 70 149.74925 1.115396 1.382

3 0.13 100 56 124.61651 0.881798 1.2056

4 0.12 80 44 102.62536 0.788704 1.0544

5 0.12 60 30 90.058989 0.683038 0.878

α

20

0

-20

No

T Na Np efisiensi

Nm Watt Watt %

1 3.75 18944.51 675.4424 3.5653729

2 3 14626.78 494.8008 3.3828418

3 2.5 10853.872 328.5582 3.0271061

4 2 7563.7224 225.1475 2.9766755

5 2 4634.8982 200.0147 4.3154073

1 5 17962.766 932.0058 5.1885429

2 3.75 15106.474 616.5376 4.0812804

3 3.25 10241.648 408.407 3.9877082

4 3 7954.9937 323.584 4.0676845

5 2.75 6894.62 259.1814 3.7591832

1 4.25 19969.267 752.1496 3.7665361

2 3.5 15106.474 524.1224 3.4695216

3 3.25 10418.335 405.0037 3.8874125

4 3 8149.772 307.8761 3.7777263

5 3 5877.1288 270.177 4.5970911

-20

No α

20

0

5.3.Pengolahan Data dari Hukum Kesebangunan

Dengan menggunakan hukum kesebangunan dengan rumus:

Hasil perhitungan yang kami lakukan menggunakan data no 5 sebagai acuan (data

dengan kecepatan putar terkecil) sehingga didapatkan hasil perhitungan sebagai

berikut:

Tabel 4.3 Pengolahan Data dari Hukum Kesebangunan

Fkecepatan

sudut Q T

(N) rad/s m^3/s Nm

1 0.15 180.11798 0.304961 3.75

2 0.12 164.93361 0.279252 3

3 0.1 131.42329 0.222515 2.5

4 0.08 112.57374 0.190601 2

5 0.08 100.00737 0.57147 2

1 0.2 186.40116 0.432336 5

2 0.15 164.41002 0.38133 3.75

3 0.13 125.66371 0.291463 3.25

4 0.12 107.86135 0.250172 3

5 0.11 94.24778 0.737765 2.75

1 0.17 176.97639 0.397703 4.25

2 0.14 149.74925 0.336518 3.5

3 0.13 124.61651 0.28004 3.25

4 0.12 102.62536 0.230621 3

5 0.12 90.058989 0.683038 3

No α

20

0

-20

Na Np efisiensi

Watt Watt %

1 3565.818 153.87955 4.315407

2 2737.887 118.15096 4.315407

3 1385.176 59.775987 4.315407

4 870.5609 37.56825 4.315407

5 4634.898 200.01473 4.315407

1 7024.033 264.04625 3.759183

2 4819.761 181.18363 3.759183

3 2152.139 80.902834 3.759183

4 1360.938 51.160134 3.759183

5 6894.62 259.18139 3.759183

1 5873.185 269.99566 4.597091

2 3558.129 163.57043 4.597091

3 2050.475 94.262197 4.597091

4 1145.228 52.647154 4.597091

5 5877.129 270.17697 4.597091

0

-20

No α

20

6. GRAFIK PENGUJIAN

6.1. Daya Turbin terhadap Kecepatan Putar

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 500 1000 1500 2000

Np

(W

)

n (rpm)

Kurva Np vs n

α = 20

α = 0

α = -20

6.2.Torsi terhadap Kecepatan Putar

6.3.Efisiensi terhadap Kecepatan Putar

0

1

2

3

4

5

6

0 500 1000 1500 2000

T (N

m)

n (rpm)

Kurva T vs n

α = 20

α = 0

α = -20

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 500 1000 1500 2000

η (

%)

n (rpm)

Kurva η vs n

α = 20

α = 0

α = -20

6.4.Daya Turbin terhadap Debit

6.5.Torsi terhadap Debit

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Np

(W

)

Q (m3/s)

Kurva Np vs Q

α = 20

α = 0

α = -20

0

1

2

3

4

5

6

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

T (N

m)

Q (m3/s)

Kurva T vs Q

α = 20

α = 0

α = -20

6.6.Debit terhadap Kecepatan Putar

6.7.Kurva Iso-efisiensi terhadap Kapasitas

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 500 1000 1500 2000

Q (

m3 /

s)

n (rpm)

Kurva Q vs n

α = 20

α = 0

α = -20

6.8.Kurva Iso-efisiensi terhadap Kecepatan Putar

7. ANALISIS HASIL PENGUJIAN

Berdasarkan hasil perhitungan dan grafik daya turbin terhadap kecepatan

putar, dapat dilihat bahwa semakin tinggi kecepatan putar maka daya yang dihasilkan

turbin pun akan naik, sesuai dengan persamaan

Akan tetapi jika membandingkan antara ketiga nilai α, pada α = 20o berada dibawah

dari α = 0o dan -20

o. Selain itu pada α = 0

o mengalami kenaikan daya turbin yang

cukup besar. Hal ini menurut kami janggal karena α = 20o seharusnya menghasilkan

daya paling besar karena arah aliran air akan menumbuk turbin tepat pada ujung sudu

sehingga energi aliran air ini akan dapat dikonversi menjadi energi mekanik turbin,

lebih baik dari sudut lainnya. Pada α = -20o arah aliran akan searah dengan arah sudu

sehingga hanya sedikit saja energi aliran air yang dapat dikonversi menjadi energi

mekanik turbin, dan pada α = 0o arah aliran akan menumbuk bagian tengah sudu

sehingga energi aliran akan lebih banyak hilang tanpa bisa memutar sudu turbin.

Menurut kami, hal ini bisa terjadi karena pengatur sudut pengarah aliran air

pada sistem pengujian telah mengalami kesalahan. Sudut yang tertera pada penunjuk

tidak sesuai dengan sudut yang sebenarnya dibentuk oleh pengarah aliran. Selain itu

terdapat histerisis pada pengarah aliran tersebut, terjadi delay saat diputar. Pengarah

sudut yang tidak tepat ini menyebabkan data yan diperoleh tidak tepat. Terjadinya

getaran akibat getaran pompa juga menyulitkan dalam pembacaan beda head pada

barometer yang dapat mempengaruhi data yang diperoleh.

Berdasarkan hasil perhitungan dan grafik torsi terhadap kecepatan putar,

dapat dilihat bahwa semakin tinggi kecepatan putar akan semakin tinggi pula torsi

yang dihasilkan. Hal ini terjadi sesuai dengan teori dimana

Gaya yang dihasilkan akan sebanding dengan kecepatan dari aliran air di dalam

turbin. Akan tetapi jika membandingkan antara ketiga nilai α, pada α = 20o berada

dibawah dari α = 0o dan -20

o. Selain itu pada α = 0

o mengalami kenaikan torsi yang

cukup besar. Hal ini jugalah yang menyebabkan daya turbin pada sudut ini mengalami

kenaikan paling besar. Dua fenomena di atas menurut kami tidak sesuai dengan apa

yang seharusnya.

Alasan yang sama dengan kejanggalan yang terjadi pada hubungan antara

daya turbin terhadap kecepatan putar kami gunakan. Pertama karena adanya

kesalahan penunjukan pada skala pengatur sudut aliran masuk turbin sehingga

menyebabkan data yang kami dapatkan tidak sesuai dengan yang diharapkan, selain

itu terdapat histerisis pada pengatur sudut aliran air yang semakin menambah

kesalahan pengatur susut aliran. Kedua pembacaan perbedaan head pada sistem yang

cukup sulit karena bergoyang-goyang akibat getaran dari pompa yang digunakan pada

sistem.

Berdasarkan perhitungan dan grafik efisiensi terhadap kecepatan putar,

dapat dilihat bahwa semakin tinggi kecepatan putar efisiensi dari turbin semakin

turun. Hal ini terjadi pada semua sudut α. Menurut kami hal ini bisa terjadi karena

pada perhitungan teoritik menggunakan hasil perhitungan debit (Q) dan Head yang

tersedia (Ht). Sedangkan pada perhitungan daya turbin menggunakan kecepatan putar

dan toesi yang dihasilkan. Kesalahan pada sudut α, sangat mempengaruhi kesalahan

pada daya turbin yang aktual. Kesalahan ini akan semakin besar seiring bertambahnya

kecepatan putar sehingga menyebabkan efisiensi yang semakin turun seiring naiknya

kecepatan putar. Adanya rugi-rugi tekanan di dalam pipa dan elbow dari sistem

pengujian juga dapat mempengaruhi hasil perhitungan daya turbin aktual, sedangkan

pada perhitungan yang dilakukan tidak dihitung rugi-rugi tekanan yang terjadi. Pada

pembacaan dari perubahan head di ventury yang tidak tepat (tidak stabil)

menyebabkan perhitungan dari debit yang mengalir tidak tepat, yang artinya

perhitungan daya turbin yang tersedia akan kurang akurat. Pada perhitungan daya

turbin teoritik ini terdapat perhitungan head yang tersedia (Ht), kesalahan juga bisa

didapatkan dari pembacaan perbedaan head statik sebelum dan sesudah turbin karena

fluida yang digunakan dalam keadaan bergerak bukan dalam keadaan statik yang

menyebabkan perhitungan head yang tersedia tidak tepat.

Berdasarkan perhitungan dan grafik daya turbin terhadap debit, dapat

dilihat bahwa semakin tinggi debit akan semakin tinggi pula daya turbin yang

dihasilkan. Hal ini bsa terjadi karena debit ini sangat erat hubungannya dengan

kecepatan air yang akan berpengaruh terhadap gaya yang diberikan ke turbin. Gaya

ini akan menimbulkan torsi pada turbin yang akan digunakan untuk menghitung daya

turbin. Akan tetapi jika membandingkan antara ketiga nilai α, pada α = 20o berada

dibawah dari α = 0o dan -20

o. Selain itu pada α = 0

o mengalami kenaikan daya yang

besar terhadap debit.

Menurut kami hal ini bisa terjadi masih dengan alasan yang sama dengan

sebelumnya. Pertama pengatur sudut α yang tidak sesuai antara skala dan sudut

pengaturnya serta adanya delay pada saat mengatur sudut. Kedua pembacaan

perbedaan sudut yang tidak tepat akibat tidak stabilnya air didalam barometer.

Berdasarkan perhitungan dan grafik torsi terhadap debit, dapat dilihat

bahwa semakin tinggi debit semakin tinggi pula torsi yang dihasilkan. Hal ini terjadi

karena debit sangat erat hubungannya dengan gaya yang diberikan kepada turbin yang

akan berpengaruh langsung terhadap torsi yang dihasilkan. Akan tetapi jika

membandingkan antara ketiga nilai α, pada α = 20o berada dibawah dari α = 0

o dan -

20o. Selain itu pada α = 0

o mengalami kenaikan daya yang besar terhadap debit.

Menurut kami hal ini bisa terjadi masih dengan alasan yang sama dengan

sebelumnya. Pertama pengatur sudut α yang tidak sesuai antara skala dan sudut

pengaturnya serta adanya delay pada saat mengatur sudut. Kedua pembacaan

perbedaan sudut yang tidak tepat akibat tidak stabilnya air didalam barometer.

Berdasarkan perhitungan dan grafik debit terhadap kecepatan putar, dapat

dilihat bahwa semakin tinggi kecepatan putar semakin tinggi pula debit yang

dihasilkan. Hal ini bisa terjadi karena debit sangat erat hubungannya dengan

kecepatan aliran air. Kecepatan ini akan mempengaruhi gaya dan torsi yang akan

dihasilkan. Kecepatan dari aliran ini juga menimbulkan kecepatan putar dari turbin.

Sehingga semakin besar kecepatan putar akan semakin besar pula debit dari aliran air.

Kurva isoeffisiensi adalah kurva yang menunjukkan perbandingan

performansi turbin (head dan debit/rpm) terhadap efisiensi turbin. Pembuatan kurva

isoeffisiensi dilakukan dengan membuat kurva 3 variabel dengan debit/rpm pada

sumbu x, head pada sumbu y dan efisiensi pada sumbu z. Dari titik-titik sebaran data

dibuat kontur yang kemudian menunjukkan kurva permukaan hubungan antara head,

debit/rpm, dengan effisiensi.

Pada hasil percobaan, kontur permukaan kurva isoeffisiensi tidak dapat

dibuat karena percobaan menghasilkan persebaran titik-titik yang terlalu acak.

Persebaran yang acak menyebabkan data-data tidak dapat dilakukan curve-fitting.

Persebaran yang acak tampak jelas pada data dengan sudut sudu pengarah 20 derajat

dan -20 derajat. Persebara acak ini kemungkinan besar terjadi akibat hanya 2 dari 4

sudu pengarah yang dapat diarahkan sedangkan dua sudu lainnya tetap 0 derajat. Hal

ini menyebabkan segtiga kecepan pada rotor berubah tergantung fungsi posisi. Hal ini

menyebabkan rugi-rugi pada turbin dan juga menimbulkan pusaran (vortex) pada inlet

rotor yang menyebabkan turunnya efisensi turbin kaplan pada kondisi tertentu

8. SIMPULAN

1. Cara kerja pengujian turbin Kaplan :

Dalam pengoperasian turbin Kaplan untuk pengujian ini, beberapa hal yang

perlu diperhatikan adalah:

a. Operasi turbin harus selalu dilakukan dengan “maju” (daya membesar)

b. Beban momen turbin diperbesar dengan mengatur beban pada pegas rem

c. Selisih tekanan pada sisi isap dan sisi masuk turbin dapat dibaca

pada manometer pipa “U”.

Sebelum pengujian dilakukan, beberapa persiapan dan pemeriksaan awal harus

dilakukan. Adapun pemeriksaan awalnya adalah:

Memeriksa alat-alat apakah semua dalam keadaan baik.

Memeriksa kondisi pembaca tekanan pada sistem pengujian Turbin Kaplan

Masukkan tombol listrik kemudian ubah saklar ke posisi “on”

Buka penuh semua katup yang ada pada sistem Turbin Kaplan

Nyalakan Pompa pada sistem, pastikan semua katup telah terbuka

Mencatat kondisi awal yang ditunjukkan oleh semua alat ukur.

Untuk setiap kondisi pengujian, berikut ini parameter-parameter yang diamati:

o Sudut pengarah aliran pada Turbin Kaplan

o Kecepatan putar turbin pada kondisi 1, 2, 3, 4, dan 5

o Beda head pada Ventury pada kondisi 1, 2, 3, 4, dan 5

o Beda head masuk dan keluar turbin pada kondisi 1, 2, 3, 4, dan 5

o Gaya yang terukur pada dinamometer pada kondisi 1, 2, 3, 4, dan 5

2. Karakteristik Daya turbin terhadap kecepatan dapat ditunjukan pada table berikut :

Karakteristik efisiensi turbin terhadap kecepatan putar dapat ditunjukan pada

table berikut :

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 500 1000 1500 2000

Np

(W

)

n (rpm)

Kurva Np vs n

α = 20

α = 0

α = -20

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 500 1000 1500 2000

η (

%)

n (rpm)

Kurva η vs n

α = 20

α = 0

α = -20

9. DAFTAR PUSTAKA

Munson F Robert, Fundamentals of Fluid Mechanics, 5th

Ed., John Wiley & Sons,

2007.

LAMPIRAN

Soal

Data hasil pengujian dan pengolahan datanya dapat dinyatakan ke dalam grafik-grafik

untuk mengetahui karakteristik turbin yang telah di uji. Adapun grafik grafik

karakteristik tersebut adalah :

a) Np vs n (α constant)

b) T vs n (α constant)

c) ή vs n (α constant)

d) Np vs Q (α constant)

e) T vs Q (α constant)

f) Q vs n (α constant)

g) Kurva iso-efisiensi terhadap kapasitas

h) Kurva iso-efisiensi terhadap putaran

Jawab

GRAFIK PENGUJIAN

Daya Turbin terhadap Kecepatan Putar

Torsi terhadap Kecepatan Putar

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 500 1000 1500 2000

Np

(W

)

n (rpm)

Kurva Np vs n

α = 20

α = 0

α = -20

0

1

2

3

4

5

6

0 500 1000 1500 2000

T (N

m)

n (rpm)

Kurva T vs n

α = 20

α = 0

α = -20

Efisiensi terhadap Kecepatan Putar

Daya Turbin terhadap Debit

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 500 1000 1500 2000

η (

%)

n (rpm)

Kurva η vs n

α = 20

α = 0

α = -20

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Np

(W

)

Q (m3/s)

Kurva Np vs Q

α = 20

α = 0

α = -20

Torsi terhadap Debit

Debit terhadap Kecepatan Putar

0

1

2

3

4

5

6

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

T (N

m)

Q (m3/s)

Kurva T vs Q

α = 20

α = 0

α = -20

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 500 1000 1500 2000

Q (

m3/s

)

n (rpm)

Kurva Q vs n

α = 20

α = 0

α = -20

Kurva Iso-efisiensi terhadap Kapasitas

Kurva Iso-efisiensi terhadap Kecepatan Putar