makalah (Autosaved)

download makalah (Autosaved)

of 31

  • date post

    05-Dec-2014
  • Category

    Documents

  • view

    126
  • download

    8

Embed Size (px)

Transcript of makalah (Autosaved)

TURBIN IMPULS

A. Latar Belakang

Dalam pembangkit listrik tenaga air (PLTA) turbin air merupakan peralatan utama selain generator. Turbin air adalah alat untuk mengubah energi potensial air menjadi menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini kemudian diubah menjadi energi listrik oleh generator. Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk pembangkit tenaga listrik. Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi kinetik, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi. Dimana turbin impuls memanfaatkan energi potensial air diubah menjadi energi kinetik dengan nozel. Air keluar nozel yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls memiliki tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Energi potensial yang masuk ke nosel akan dirubah menjadi energi kecepatan (kinetik). Sedangkan turbin reaksi memanfaatkan energi potensial untuk menghasikan energi gerak. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat berputar. Kedua jenis turbin tersebut memiliki kelebihan dan kekurangannya masingmasing berdasarkan karakteristik yang dimiliki, namun dalam makalah ini penulis hanya akan membahas jenis turbin impuls saja karena jenis turbin ini

memiliki kelebihan yaitu kontruksi dan teknologi sederhana sehingga mudah diterapkan di daerah yang terisolir serta lebih mudah dalam perawatannya.

B. Pengertian dan Sejarah Turbin Air

Turbin air adalah merupakan mesin penggerak yang merubah energi potensial menjadi energi mekanik dengan air sebagai fluida kerjanya. Banyak sumber yang menerangkan tentang sejarah di temukanya turbin salah satunya yaitu bermula dari di temukanya kincir air yang sudah sejak lama digunakan untuk tenaga industri. Pada mulanya yang dipertimbangkan adalah ukuran kincirnya, yang membatasi debit dan head yang dapat dimanfaatkan. Perkembangan kincir air menjadi turbin modern membutuhkan jangka waktu yang cukup lama. Perkembangan yang dilakukan dalam waktu revolusi industri menggunakan metode dan prinsip ilmiah. Mereka juga

mengembangkan teknologi material dan metode produksi baru pada saat itu. Kata "turbine" ditemukan oleh seorang insinyur Perancis yang bernama Claude Bourdin pada awal abad 19, yang diambil dari terjemahan bahasa Latin dari kata "whirling" (putaran) atau "vortex" (pusaran air). Perbedaan dasar antara turbin air awal dengan kincir air adalah komponen putaran air yang memberikan energi pada poros yang berputar. Komponen tambahan ini memungkinkan turbin dapat memberikan daya yang lebih besar dengan komponen yang lebih kecil. Turbin dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih cepat dan dapat memanfaatkan head yang lebih tinggi. (Untuk selanjutnya dikembangkan turbin impulse yang tidak membutuhkan putaran air). Adapun runtutan sejarahnya adalah sebagai berikut. Jn Andrej Segne mengembangkan turbin air reaksi pada pertengahan tahun 1700. turbin ini mempunyai sumbu horizontal dan merupakan awal mula dari turbin air modern. Turbin ini merupakan mesin yang simpel yang masih diproduksi saat ini untuk pembangkit tenaga listrik skala kecil. Segner bekerja dengan Euler dalam membuat teori matematis awal untuk desain turbin.

Pada tahun 1820, Jean-Victor Poncelet mengembangkan turbin aliran kedalam.Pada tahun 1826, Benoit Fourneyon mengembangkan turbin aliran keluar. Turbin ini sangat efisien (~80%) yang mengalirkan air melalui saluran dengan sudu lengkung satu dimensi. Saluran keluaran juga mempunyai lengkungan pengarah. Pada tahun 1844, Uriah A. Boyden mengembangkan turbin aliran keluar yang meningkatkan performa dari turbin Fourneyon. Bentuk sudunya mirip dengan turbin Francis. Pada tahun 1849, James B. Francis meningkatkan efisiensi turbin reaksi aliran kedalam hingga lebih dari 90%. Dia memberikan test yang memuaskan dan mengembangkan metode engineering untuk desain turbin air. Turbin Francis dinamakan sesuai dengan namanya, yang merupakan turbin air modern pertama. Turbin ini masih digunakan secara luas di dunia saat ini. Turbin air aliran kedalam mempunyai susunan mekanis yang lebih baik dan semua turbin reaksi modern menggunakan desain ini. Putaran massa air berputar hingga putaran yang semakin cepat, air berusaha menambah kecepatan untuk membangkitkan energi. Energi tadi dibangkitkan pada sudu dengan memanfaatkan berat jatuh air dan pusarannya. Tekanan air berkurang sampai nol sampai air keluar melalui sirip turbin dan memberikan energi. Sekitar tahun 1890, bantalan fluida modern ditemukan, sekarang umumnya digunakan untuk mendukung pusaran turbin air yang berat. Hingga tahun 2002, bantalan fluida terlihat mempunyai arti selama lebih dari 1300 tahun. Sekitar tahun 1913, Victor Kaplan membuat turbin Kaplan, sebuah tipe mesin baling-baling. Ini merupakan evolusi dari turbin Francis tetapi dikembangkan dengan kemampuan sumber air yang mempunyai head kecil.

C. Turbin Pelton

Turbin Pelton merupakan turbin impuls, yaitu turbin yang digerakkan oleh energi kinetik air. Semprotan (jet) air yang berkecepatan tinggi mengenai buket runner dan setelah menggerakkan runner air keluar pada kecepatan rendah, yang berarti sebagian energinya tidak diserap oleh runner. Tekanan

air masuk dan keluar sudu adalah tekanan atmosfir. Turbin pelton adalah merupakan contoh terbaik dari turbin impuls. Turbin tersebut dioperasikan oleh satu atau lebih jet (nozzle) air yang masuk ke center bucket pada sekeliling dari runner. Tenaga berasal dari gaya air dari tekanan tinggi yang menumbuk buckets sehingga dinamai impuls turbin. Contoh turbin pelton seperti pada gambar berikut.

Gambar 1. Turbin pelton

Komponen utama turbin Pelton adalah sebagai berikut: 1. Sudu turbin. Sudu turbin ini berbentuk mangkok, yang dipasang disekeliling roda jalan (raner). Setiap pemotongan pancaran air oleh mangkok pada umumnya gangguan atas pancaran tersebut. Mendadak dan tanpa diinginkan sebagian aliran membentur dan terbelokkan. Untuk menambah panjangnya usia raner, digunakan bahan mangkok yang lebih baik mutunya, misalnya baja tahan karat. 2. Nozzle. Nozzle ini berfungsi untuk mengarahkan pancaran air ke sudu-sudu turbin dan mengatur kapasitas air yang masuk ke turbin. Pada turbin pelton mungkin dikonstruksikan dengan nozzle lebih dari satu buah. Pada poros

mendatar dilengkapi satu atau dua nozzle, sedang yang berporos tegak mempunyai sampai 6 buah. 3. Rumah turbin. Rumah Turbin ini berfungsi sebagai tempat kedudukan roda jalan dan penahan air yang keluar dari sudu-sudu turbin. Agar raner tidak terendam, rumah turbin harus cukup tinggi diatas muka air pacu-buri. Konstruksinya harus cukup kuat untuk perlindungan seputar dari kemungkinan mangkok atau raner rusak dan terlempar saat turbin beroperasi.

Berikut ini gambar dari runner (wheel) pelton

Gambar 2 . Runner ( wheel) pelton

Secara teknik, bagaimana turbin pelton bekerja dapat dilihat dari vector diagram yang terjadi pada bucket berikut:

Gambar 3. Diagram vektor pada roda turbin pelton

v1 = kecepatan air jet, v2 = kecepatan relative air meninggalkan bucket, = sudut antara v2 sumbu jet dan V2= kecepatan absolute air meninggalkan bucket ( jumlah dari v2 dan u ) Kecepatan air awal berubah dari v1 ke v2 cos . Gaya momentum yang dihasilkan adalah; P = m (v1 v2 cos ) Komponen gaya ini menyebabkan putaran konstan. M1 = laju aliran massa ( kg/s) Total gaya yang dihasilkan bucket adalah; Px = Q.w/g . (v1 v2 cos ) Dimana ; Q = A. v1 dan w = . G

a. Dasar Perhitungan Sudu Kecepatan nominal Runner ; v (m/det) ( )

Dimana H = Head total pompa (m) Diameter nominal turbin; Dt (m)

Dimana n = Kecepatan putran turbin (Rpm) Jumlah sudu ; Z

Dimana dn = Diameter pancaran Nozel (m)

Lebar sudu ; Bs (mm) ( Kedalaman mangkok ; Cs (mm) ( Lebar bukaan mangkok ; M (mm) ( Panjang sudu ; Ls (mm) ( ) ) ) )

Jarak pusat pancaran jet ke ujung sudu ;l (mm) ( )

b. Kerugian Gesekan (head loss) pada Turbin Pelton

Head losses merupakaan rugi-rugi energi yang terjadi pada instalasi turbin air sehingga energi output turbin berkurang. 1. Kerugian Mayor (Head Loss Mayor ) Kerugian mayor adalah kerugian gesekan sepanjang aliran (pipa). Besarnya faktor gesekan tergantung pada :

a. Kecepatan aliran fluida dalam pipa (V). b. Diameter pipa (D). c. Massa density (). d. Viskositas kinematik (v). e. Faktor kekasaran suatu bahan (). Pada besaran-besaran yang disusun dalam satu cara untuk membuatnya tanpa dimensi diantaranya : 1. Bilangan Reynold (V. D. / v). 2. Faktor kekasaran ( / D).

Untuk mengetahui faktor gesekan pada aliran laminer, dapat digunakan rumus :

2. Kerugian Minor (Head Loss Minor)

Kerugian minor adalah kerugian gesekan yang disebabkan oleh:: a. Katup b. Belokan. c. Pembesaran mendadak. d. Pengecilan mendadak. e. Pembesaran perlahan. f. Pembesaran tiba-tiba

c. Efisiensi Turbin

Water Horse Power (WHP) adalah daya indikatif yang diberikan oleh fluida kepada sudu-sudu turbin. WHP merupakan energi yang dimiliki oleh air dalam bentuk velocity head (head tirbin) yang nantinya akan diubah menjadi energi poros.

(

)

(hp)

Brake Horse Power (BHP) adalah merupakandaya efektif yang diterima oleh poros turbindari fluida yang melalui sudu-sudu turbin. BHPdiukur dari rem prony dengan cara mengukur torsi pada poros. Putaran poros akan

menimbulkan torsi yang diukur melalui gaya yang dihasilkan pada titik terluar poros. Gaya ini terbaca sebagai beban (load).

(watt) Sehingga efi