Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, II revisi... · 2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik...

22
4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Penelitian Terdahulu Menurut Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, Djoko Sutikno [2], pada penelitiannya mengenai pengaruh besar sudut kelengkungan sudu terhadap unjuk kerja kincir air tipe sudu lengkung, menyatakan bahwa semakin besar sudut kelengkungan dan debit air maka daya poros semakin meningkat pula, semakin tinggi debit air maka semakin kecil nilai rasio U/Vs, semakin besar sudut kelengkungan sudu maka efisiensi juga semakin semakin meningkat. Menurut Ketut Suriantara, 1998 [3], pada penelitiannya tentang pengaruh bukaan katup throttle terhadap unjuk kerja turbin air reaksi aliran radial, menyatakan bahwa untuk mendapatkan efisiensi yang setinggi tingginya maka hal-hal yang perlu diperhatikan adalah penyesuaian antara kapasitas aliran dengan beban yang diberikan dan meminimalkan kerugian-kerugian yang ada. Menurut I Gusti Ngurah Sastra Santika, 2003 [4], pada penelitiannya tentang perancangan dan pengujian kincir pompa torak untuk irigasi dengan kapasitas 6 liter / menit dan head 6 meter menyatakan bahwa semakin tinggi jatuh air menyebabkan daya input air untuk memutar kincir menjadi lebih besar, maka putaran kincir untuk menggerakan poros pompa menjadi lebih cepat putaran kincir semakin menurun pada tinggi pemompaan yang semakin besar, hal ini dipengaruhi oleh tekanan hidrostatis zat cair akibat pengaruh ketinggian dan gravitasi. Menurut I Putu Adi Gunawan, 2010 [5], pada penelitiannya tentang pengaruh variasi tinggi jatuh air dan kapasitas terhadap unjuk kerja kincir air tipe cross flow menyatakan semakin besar tinggi jatuh air dan kapasitas secara rata-rata keseluruhan daya, torsi, dan efisiensi turbin semakin besar. Menurut I Dewa Putu Panji Krisnata Yuda, 2013 [6], pada penelitiannya tentang perancangan dan pengujian turbin air tipe pitchback sebagai penggerak pompa

Transcript of Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, II revisi... · 2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik...

Page 1: Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, II revisi... · 2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik Turbin air dibedakan menjadi 2 golongan utama jika ditinjau dari segi pengubahan momentum

4

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Penelitian Terdahulu

Menurut Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, Djoko Sutikno [2], pada

penelitiannya mengenai pengaruh besar sudut kelengkungan sudu terhadap unjuk kerja

kincir air tipe sudu lengkung, menyatakan bahwa semakin besar sudut kelengkungan

dan debit air maka daya poros semakin meningkat pula, semakin tinggi debit air maka

semakin kecil nilai rasio U/Vs, semakin besar sudut kelengkungan sudu maka efisiensi

juga semakin semakin meningkat.

Menurut Ketut Suriantara, 1998 [3], pada penelitiannya tentang pengaruh

bukaan katup throttle terhadap unjuk kerja turbin air reaksi aliran radial, menyatakan

bahwa untuk mendapatkan efisiensi yang setinggi – tingginya maka hal-hal yang perlu

diperhatikan adalah penyesuaian antara kapasitas aliran dengan beban yang diberikan

dan meminimalkan kerugian-kerugian yang ada.

Menurut I Gusti Ngurah Sastra Santika, 2003 [4], pada penelitiannya tentang

perancangan dan pengujian kincir pompa torak untuk irigasi dengan kapasitas 6 liter /

menit dan head 6 meter menyatakan bahwa semakin tinggi jatuh air menyebabkan

daya input air untuk memutar kincir menjadi lebih besar, maka putaran kincir untuk

menggerakan poros pompa menjadi lebih cepat putaran kincir semakin menurun pada

tinggi pemompaan yang semakin besar, hal ini dipengaruhi oleh tekanan hidrostatis zat

cair akibat pengaruh ketinggian dan gravitasi.

Menurut I Putu Adi Gunawan, 2010 [5], pada penelitiannya tentang pengaruh

variasi tinggi jatuh air dan kapasitas terhadap unjuk kerja kincir air tipe cross flow

menyatakan semakin besar tinggi jatuh air dan kapasitas secara rata-rata keseluruhan

daya, torsi, dan efisiensi turbin semakin besar.

Menurut I Dewa Putu Panji Krisnata Yuda, 2013 [6], pada penelitiannya

tentang perancangan dan pengujian turbin air tipe pitchback sebagai penggerak pompa

Page 2: Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, II revisi... · 2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik Turbin air dibedakan menjadi 2 golongan utama jika ditinjau dari segi pengubahan momentum

5

torak menyatakan unjuk kerja terbaik turbin berada pada daya kincir air 23,35 Watt

dengan efisiensi kincir air 35,91%.

Demikian beberapa penelitian yang dapat penulis temukan mengenai kincir air,

penulis memilih kincir air sebagai materi tugas akhir dengan judul Pengujian Kincir Air

Sudu Lurus Sebagai Penggerak Pompa Torak.

2.2 Energi Potensial

Benda yang diam pada kedudukannya memiliki energi potensial. Besarnya

energi potensial ditentukan oleh tempat atau kedudukan benda tersebut. “Energi

potensial adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda akibat pengaruh tempat atau

kedudukan dari benda tersebut” [7]. Persamaan yang dipakai dalam energi potensial

adalah :

Ep = m . g . h……………………………………………………………….(2.1)

Ep = m . g . ∆ᵶ………………………………………………………………(2.2)

Keterangan :Ep = Energi potensial ( joule).

m = Massa benda (kg).

g = Percepatan gravitasi ( m/ ).

h = Ketinggian (m).

∆ᵶ = Beda ketinggian (m).

2.3 Energi Kinetik

Dalam benda yang bergerak terdapat energi kinetik, energi kinetik dipengaruhi

oleh faktor kecepatan dan masa benda tersebut. “Energi kinetik adalah energi dari suatu

benda yang dimiliki akibat pengaruh pergerakannya” [8]. Persamaan yang dipakai

dalam energi kinetik adalah:

Ek = m . ………………………………………………………………..(2.3)

Page 3: Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, II revisi... · 2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik Turbin air dibedakan menjadi 2 golongan utama jika ditinjau dari segi pengubahan momentum

6

Keterangan:

Ek = Energi kinetik ( joule ).

m = Massa benda (kg).

v = Kecepatan (m/dt).

2.4 Hukum Kekekalan Energi

Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan

maupun dimusnahkan, jadi perubahan bentuk energi terjadi dari bentuk yang satu ke

bentuk yang lainnya, tidak merubah jumlah atau besar energi secara keseluruhan [8].

Berikut adalah persamaan mekanik yang berhubungan dengan hukum kekekalan

energi:

Em = Ep = Ek……………………………………………………………….. (2.4)

Keterangan :Em = Energi mekanik ( joule).

Ep = Energi potensial ( joule).

Ek = Energi kinetik ( joule).

2.5 Turbin Air

Untuk dapat memanfaatkan energi air, maka energi air harus dikonversikan

menjadi bentuk yang dibutuhkan yaitu dari energi potensial menjadi energi kinetis

untuk selanjutnya dapat dimanfaatkan menjadi energi mekanis, dalam hal ini adalah

untuk daya penggerak pompa torak. Proses konversi energi ini memerlukan alat berupa

turbin air.

Turbin air adalah mesin penggerak, dimana energi fluida kerja dipergunakan

langsung untuk memutar roda turbin air. Bagian turbin yang berputar dinamakan roda

turbin atau rotor, sedangkan bagian yang diam disebut stator. Pada turbin fluida kerja

mengalami proses ekspansi, yaitu proses penurunan tekanan dan mengalir secara

kontinyu. Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja yang mengalami kontak dan

mengalir melalui ruang antara sudu tersebut. Kontak antara fluida dengan sudu – sudu

Page 4: Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, II revisi... · 2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik Turbin air dibedakan menjadi 2 golongan utama jika ditinjau dari segi pengubahan momentum

7

menyebabkan timbulnya gaya karena terjadinya perubahan momentum dari fluida kerja

yang mengalir diantara sudunya. Ada 2 jenis sudu berdasarkan pergerakannya,yaitu

sudu gerak (runner) berupa sudu yang bergerak bersama – sama roda turbin dan sudu

tetap berupa sudu yang bersatu dengan rumah turbin. Dari segi perubahan momentum

fluida kerjanya, turbin dibagi menjadi turbin impuls dan turbin reaksi.

Sudu – sudu turbin haruslah dibentuk sedemikian rupa sehingga dapat terjadi

perubahan momentum pada fluida kerja tersebut. Bentuk sudu – sudu turbin akan

menentukan unjuk kerja turbin tersebut, khususnya pada turbin air bentuk sudu – sudu

turbin akan menentukan daerah kerja turbin, maksudnya kebutuhan head air agar dapat

dikonversikan menjadi energi mekanis secara maksimal berbeda – beda pada setiap

jenis – jenis bentuk sudu turbin.

2.5.1 Daya Turbin

PT = ɳT ɤ. . (kW).………………………………………………………..(2.5)

Keterangan :

ɤ = Berat jenis air (N/ )

Q = Kapasitas air ( /dt)

H = Tinggi air jatuh ( hydraulic head,m)

ɳT = Efisiensi turbin

PT = Daya turbin ( kW)

Daya turbin dipengaruhi paling besar oleh banyak serta tinggi air jatuh,

dikarenakan nilai berat jenis air dan efisiensi turbin adalah konstan, jadi semakin besar

nilai Q dan H, maka daya turbin akan semakin besar.

2.5.2 Efisiensi Turbin

ɳT = PT / PA ……………………………………………………………(2.6)

Keterangan :

ɳT = Efisiensi turbin

PT = Daya kincir (kW)

PA = Daya air (kW)

Page 5: Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, II revisi... · 2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik Turbin air dibedakan menjadi 2 golongan utama jika ditinjau dari segi pengubahan momentum

8

2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik

Turbin air dibedakan menjadi 2 golongan utama jika ditinjau dari segi

pengubahan momentum fluida kerjanya yaitu:

1. Turbin impuls ( Pelton).

2. Turbin reaksi ( Francis, Kaplan,Propeler).

Pada turbin dikenal adanya putaran spesifik ns, putaran spesifik adalah putaran

yang mampu menghasilkan 1hp per head 1 ft [9].

ns = n √( ) rpm (basis daya)……………………………………………(2.7)

ns = n( ) rpm (basis kapasitas)……………………………………….(2.8)

Keterangan :

n = Kecepatan turbin sebenarnya pada efisiensi maksimum ( rpm).

N = Daya turbin (kW).

H = Tinggi air jatuh (m).

Q = Kapasitas ( /dt).

Untuk keadaan nilai H dan Q tertentu, berdasarkan nilai putaran spesifiknya

maka dapat dipilih turbin yang sesuai agar dapat bekerja pada efisiensi maksimal.

Berikut adalah jenis roda turbin air dan putaran spesifiknya :

Tabel 2.1 Jenis Roda Turbin Air dan Putaran Spesifiknya [9].

Jenis turbin Putaran spesifik ns

(rpm)

Efisiensi ɳT % Tinggi air jatuhH (ft)

Impuls (Pelton) 2 – 444 – 7

85 – 909090 – 82

6000 – 200020002000 – 400

Francis 10 – 3030 – 8282 – 90

90 – 949494 – 93

500500 – 7070 – 45

Propeler 100 – 140140 – 250

9494 – 85

100 – 1515 – 10

Page 6: Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, II revisi... · 2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik Turbin air dibedakan menjadi 2 golongan utama jika ditinjau dari segi pengubahan momentum

9

Tabel diatas menunjukkan turbin pelton memiliki putaran spesfikik terendah

dibandingkan dengan turbin francis dan propeller namun turbin pelton paling baik

dioperasikan pada tinggi air jatung yang paling ringgi dibandingkan trubin francis dan

propeller.

Berdasarkan tinggi air jatuh dan putaran spesifiknya turbin dapat

diklasifikasikan seperti tabel dibawah :

Tabel 2.2 Klasifikasi Turbin Air Berdasarkan Tinggi Air Jatuh [9].

Tinggi air jatuh (ft) Jenis turbin

Lebih rendah dari 100 ft Turbin dengan tinggi air jatuh rendah

100 – 1000 ft Turbin dengan tinggi air jatuh sedang

1000 ft ke atas Turbin dengan tinggi air jatuh tinggi

Tabel 2.2 menunjukan klasifikasi turbin air berdasarkan tinggi air jatuh dimanatinggi air jatuh dibagi menjadi 3 yaitu tinggi air jatuh rendah, sedang, dan tinggi airjatuh tinggi.

Tabel 2.3 Klasifikasi Turbin Air Berdasarkan Putaran Spesifiknya [9].

ns (rpm) Jenis turbin

2 -12 Turbin dengan putaran spesifik rendah

12 – 90 Turbin dengan putaran spesifik sedang

90 – 250 Turbin dengan putaran spesifik tinggi

Tabel 2.3 menunjukkan pengklasifikasian turbin air berdasarkan putaranspesifiknya, turbin berdasarkan putaran spesifiknya terdiri dari turbin putaran spesifikrendah, sedang, dan tinggi.

Jumlah sudu turbin turut menentukan putaran turbin (N) dan putaran spesifikturbin (Ns) seperti yang dijelaskan pada tabel 2.4, semakin tinggi putaran kincir makajumlah sudu yang dimiliki turbin akan lebih sedikit. Sebaliknya untuk jumlah putaranspesifik yang semakin tinggi, maka semakin banyak.

Page 7: Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, II revisi... · 2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik Turbin air dibedakan menjadi 2 golongan utama jika ditinjau dari segi pengubahan momentum

10

Tabel 2.4 Hubungan antara Putaran (N) dan Putaran Spesifik Turbin (Ns) dengan Jumlah Sudu [10]

N (putaran kincir)

Rpm

Z (jumlah sudu)

Buah

NS (Ns putaran spesifik)

Rpm

40 ̴ 60 9 ≤ 20

60 ̴ 180 8 20 ± 45

180 ̴ 350 6 45 ± 75

350 ̴ 580 5 75 ± 150

2.5.4 Klasifikasi Kincir atau Turbin Air Berdasarkan System Aliran Air

Pendorong:

Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan sistem aliran air pendorong yaitu

titik darimana air akan mendorong sudu kincir air. Berikut adalah klasifikasi turbin air

berdasarkan titik penembak air pipa pesat.

Undershot :

Gambar 2.1 merupakan kincir air tipe undershot, tipe undershot adalah tipe

kincir air yang aliran air pendorongnya menabrak sudu pada bagian bawah kincir.

Berikut adalah kincir air tipe undershot :

Gambar 2.1 Kincir Air Tipe Undershot [11].

Page 8: Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, II revisi... · 2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik Turbin air dibedakan menjadi 2 golongan utama jika ditinjau dari segi pengubahan momentum

11

Breastshot :

Gambar 2.2 merupakan kincir air tipe breastshot Tipe breastshot adalah tipe

kincir air yang aliran air pendorongnya menabrak sudu pada bagian tengah kincir.

Berikut adalah kincir air tipe breastshot :

Gambar 2.2 Kincir Air Tipe Breastshot [11].

Overshot :

Gambar 2.1 merupakan kincir air tipe overshot, tipe overshot adalah tipe kincir

air yang aliran air pendorongnya menabrak sudu pada bagian atas kincir. Berikut adalah

kincir air tipe overshot :

Gambar 2.3 Kincir Air Tipe Overshot [11].

Page 9: Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, II revisi... · 2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik Turbin air dibedakan menjadi 2 golongan utama jika ditinjau dari segi pengubahan momentum

12

Air yang melakukan kontak dengan sudu-sudu runner kincir air hanya

mempunyai tekanan atmosfir, seperti gambar diatas ada 3 klasifikasi kincir yaitu

overshoot, undershoot dan breastshoot. Rancangan pompa kincir ini direncanakan

menggunakan tipe undershoot dimana air dari nossel penstok mendorong sudu dari

bagian bawah kincir.

2.5.5 Daerah Kerja Efektif Turbin

Berdasarkan ketersediaan tinggi air jatuh (h) dan debit air tersedia (Q) maka

pemilihan jenis turbin air yang dipakai memiliki aturan untuk menjamin efisiensi turbin

dapat diusahakan semaksimal mungkin dan didapat turbin yang paling ekonomis dan

efisien. Gambar 2.4 merupakan pengaplikasian turbin menurut Head dan debit yang

sesuai. Ketersediaan debit air dan tinggi air jatuh akan menentukan turbin yang paling

efektif untuk digunakan, hal ini terkait dengan kecepatan spesifik masing-masing jenis

turbin seperti pada tabel 2.1.

Gambar 2.4 Pengaplikasian turbin menurut Head (m) dan debit ( ⁄ ) yang sesuai [1].

Kecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan sebagai kecepatan

ideal, persamaan geometris turbin, yang menghasilkan satu satuan daya tiap satu satuan

head. Kecepatan spesifik tubin diberikan oleh perusahaan (dengan penilaian yang

lainnya) dan selalu dapat diartikan sebagai titik efisiensi maksimum. Perhitungan tepat

Page 10: Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, II revisi... · 2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik Turbin air dibedakan menjadi 2 golongan utama jika ditinjau dari segi pengubahan momentum

13

ini menghasilkan unjuk kerja turbin dalam jangkauan head dan debit tertentu.

Kecepatan spesifik setiap turbin mempunyai kisaran (range) tertentu .

Kecepatan spesifik (ns), menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak

berhubungan dengan ukurannya. Hal ini menyebabkan desain turbin baru yang diubah

skalanya dari desain yang sudah ada dengan unjuk kerja yang sudah diketahui.

Kecepatan spesifik merupakan kriteria utama yang menunjukkan pemilihan jenis turbin

yang tepat berdasarkan karakteristik sumber air. Dengan mengetahui kecepatan spesifik

turbin, maka perencanaan dan pemilihan jenis turbin akan menjadi lebih mudah,

bahkan dimensi dasar turbin dapat diestimasi (diperkirakan) [16].

2.6 Komponen – Komponen Turbin Air

2.6.1 Nosel

Nosel merupakan bagian dari turbin, didalam nosel tekanan air dirubah menjadi

kecepatan. Nosel terdiri atas bagian selubung serupa hidung yang dipasang pada

belokan pipa, dan jarum nosel yang bisa digerakkan didalam belokan pipa. Kerucut

jarum dan selubung, yang cepat aus, dibuat dari bahan bermutu tinggi serta mudah

untuk diganti [12]. Gambar 2.6 merupakan nosel yang dipakai dalam system pompa

kincir di desa pucak sari. Nosel pada gambar 2.6 bertujuan untuk meningkatkan

kecepatan air pipa pesat yang akan menumbuk sudu.

Gambar 2.6 nosel sebuah penstok kincir air ( Dokumentasi pompa kincir pucak sari, 2014 ).

Page 11: Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, II revisi... · 2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik Turbin air dibedakan menjadi 2 golongan utama jika ditinjau dari segi pengubahan momentum

14

2.6.2 Runner ( sudu jalan)

Runner pada turbin air berfungsi sebagai penerus gaya dari sudu untuk dirubah

menjadi gerak putar untuk selanjutnya diteruskan ke poros turbin. Turbin air yang akan

dipakai adalah turbin air reaksi dan untuk menentukan diameter luar dan dalam

runnernya menggunakan rumus :

D1 = Zair – (2 x 0.1m)/2……………………………………………………(2.9)

D2 = . 1…………………………………………………………………(2.10)

Keterangan:

Zair = Ketinggian air terjun (m)

D1 = Diameter luar runner (m)

D2 = Diameter dalam runner (m)

Diameter rata-rata runner:

Dr = ………………………………………………….(2.11)

Keterangan:

Dr = Diameter rata – rata (m)

2.6.3 Sudu Turbin

Sudu turbin merupakan bagian turbin yang menerima gaya dari air yang akan

diteruskan ke poros turbin melalui runner. Ada 2 bentuk profil sudu dan masing-masing

tipe profil memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing dimana pemilihan tipe

sudu disesuaikan dengan beban turbin.

Profil Kelengkungan Sudu

Profil Datar

Profil sudu datar, gaya puntir yang diteruskan ke poros hanya didapatkan dari

gaya dorong air pada nossel, jadi gaya puntir yang diteruskan ke poros akan sama

Page 12: Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, II revisi... · 2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik Turbin air dibedakan menjadi 2 golongan utama jika ditinjau dari segi pengubahan momentum

15

dengan gaya dorong air pada nossel. Profil sudu datar akan menimbulkan suara berisik

saat terjadi tumbukan pada air dan sudunya sehingga ini akan memperpendek umur

sudu.

c1=c2 (kondisi steady state dan persamaan kontinyuitas).∂2 = 90˚ dan ∂1 = 0˚

F = ṁ{(c1.cos ∂1 - c2 . cos ∂1)}F = ṁ{(c1.1- c2.0)}F = ṁ{(c1 )}F = ṁ . c1

Gambar 2.7 Profil Sudu Datar [6].

Gambar 2.7 merupakan profil sudu datar, torsi yang dihasilkan relatif kecil tetapi

tipe sudu ini mempunyai putaran dan power yang tinggi.

Profil Sudu “U” Searah Aliran

Profil sudu U memiliki torsi yang paling besar seperti yang terlihat pada

gambar dibawah. Adanya momentum pada sisi – sisi sudu akibat aliran air yang

bergerak mengikuti kelengkungan sudu menyebabkan besarnya torsi pada profil

sudu tipe ini. Air cenderung lebih lambat meninggalkan sudu akibat

kelengkungan sudu menyebabkan tipe sudu ini mempunyai putaran dan power

yang lebih kecil dari pada tipe datar. Tipe sudu U tidak menimbulkan reaksi

berisik saat air menumbuk sudunya, air menumbuk sudu dengan lebih lembut

jadi umur sudu dapat bertahan lebih lama.

Gambar 2.8 Profil sudu “U” Searah Aliran [6]

Page 13: Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, II revisi... · 2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik Turbin air dibedakan menjadi 2 golongan utama jika ditinjau dari segi pengubahan momentum

16

Gambar 2.7 merupakan profil sudu lengkung searah aliran air, berikut adalah

persamaan gaya yang terjadi pada sudu kincir saat kontak dengan air.

c1=c2 (kondisi steady state dan persamaan kontinyuitas).

∂2 = 180˚ dan ∂1 = 0˚F = ṁ{(c1.cos ∂1 - c2 . cos ∂2)}F = ṁ{(c1.+1 - c2 . -1)}F = ṁ{(c1+ c2)}F = 2 .ṁ.c1

Gaya Dorong (Fa) Pada Kincir

Adapun gaya dorong yang dimiliki oleh sudu kincir dapat dihitung

menggunakan rumus berikut [13] :

Fa = ṁ.c = Q.ρ.c = A.c.ρ.c = A. ρ. ………………………………………(2.12)

Keterangan :

Fa = gaya dorong sudu (N)

ṁ = laju aliran massa ( ⁄ )

Q = kapasitas fluida ( ⁄ )ρ = kerapatan fluida ( )⁄c = kecepatan fluida saat terjadi tumbukan dengan sudu ( )⁄A = luas penampang sudu ( )Kecepatan fluida saat menumbuk sudu dapat diperoleh menggunakan rumus

[12] :

c = 2. . ………………………………………………………………...(2.13)

Keterangan :c = kecepatan fluida saat terjadi tumbukan dengan sudu ( )⁄g = Grafitasi ( )⁄H = Energi terjunan air ( m )

Page 14: Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, II revisi... · 2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik Turbin air dibedakan menjadi 2 golongan utama jika ditinjau dari segi pengubahan momentum

17

Impuls dan Momentum

Impuls dan momentum merupakan satu kesatuan karena merupakan dua besaran

yang setara, dikatakan setara karena memiliki satu satuan sistem internasional (SI).

Pengertian impuls dan momentum

Impuls merupakan gaya yang bekerja pada benda dalam waktu yang singkat

atau sesaat, sebagai contohnya adalah peristiwa gaya yang terjadi pada bola saat

ditendang.

I = F . ∆t…………………..………………………………………………..(2.14)

Keterangan :

I = Impuls (N.dt)

F = Gaya ( N )

∆t = selang waktu ( dt)

Momentum merupakan hasil kali antara massa dan kecepatan jadi momentum

merupakan besaran yang dimiliki oleh benda yang bergerak.

P = m . v…………………..………………………………………………..(2.15)

Keterangan :

P = Momentum (Kg m/dt)

m = Massa ( Kg )

v = Kecepatan (m/dt)

Apabila sebuah partikel bermassa (m) bekerja pada gaya (F) yang konstan,

maka setelah waktu (∆t) partikel tersebut bergerak dengan kecepatan Vt = V0 + a.∆t,

Seperti yang dibahas pada hukun Newton ke-2 dimana F = m . a, dengan mensubstitusi

kedua persamaan tersebut maka diperoleh :

I = F . ∆t = m . v . t – m .v .0

Page 15: Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, II revisi... · 2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik Turbin air dibedakan menjadi 2 golongan utama jika ditinjau dari segi pengubahan momentum

18

Keterangan :m . v . t = Momentum benda pada saat kecepatan vt.

m .v .0 = Momentum benda pada saat kecepatan v0.

2.6.4 Penstok atau Pipa Pesat

Pipa pesat atau penstok merupakan komponen penyalur air dari bak penenang

menuju sudu turbin, air dengan energi potensial pada bak penenang akan menjadi

energi kinetis pada penstok selanjutnya air dengan energi kinetis akan menumbuk sudu

turbin dan menciptakan energi mekanis pada poros turbin tersebut. Pada pipa pesat

terdapat adanya Head loses karena pada pipa pesat penampang pipanya diperkecil

secara bertahap hingga pada ujung penembaknya, Seperti yang dijelaskan pada

persamaan kontinyuitas bahwa memperkecil penampang pipa akan meningkatkan

kecepatan aliran airnya sehingga ini merupakan fungsi Head loses kecepatan, sebuah

loses yang sengaja dibentuk dengan tujuan menciptakan tumbukan air dengan sudu

turbin dengan kecepatan setinggi-tingginya. Berikut adalah kecepatan persamaan untuk

menghitung kecepatan air yang menumbuk sudu turbin [12]:

C1=φ 2 ………………………………………………………………...(2.15)

Keterangan :

C1 : Kecepatan absolute fluida menabrak sudu turbin( ⁄ )

φ : Koefisien gesek pipa penstok

: Percepatan grafitasi( ⁄ )

: Head(m)

Page 16: Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, II revisi... · 2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik Turbin air dibedakan menjadi 2 golongan utama jika ditinjau dari segi pengubahan momentum

19

Gambar 2.9 Nossel dan gate valve pada pipa penstock ( Dokumentasi pompa kincir pucak sari, 2014 )

Gambar 2.9 merupakan bagian gate valve dan nossel pada pipa penstok pada

sistim pompa kincir ini seperti terlihat pada gambar bahwa gate valve terpasang pada

bagian akhir pipa penstok juga memungkinkan gate valve berfungsi bukan hanya

sebagai pengatur debit, tetapi juga memungkinkan gate valve ini berfungsi sebagai

pengatur kecepatan air keluar melalui nossel penstok. Sebuah gate valve sebagai

pengatur debit umumnya dipasang pada bagian awal penstok.

Gambar 2.10 Pipa penstok ( Dokumentasi pompa kincir pucak sari, 2014 )

Gambar 2.10 merupakan gambar pipa penstok pada sistim pompa kincir ini,

pipa penstok ini dirancang dengan panjang total 24 meter yang direducer bertahap

mulai dengan menggunakan pipa berdiameter 6 inch, 4 inch, 3 inch dan 2 inch.

Page 17: Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, II revisi... · 2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik Turbin air dibedakan menjadi 2 golongan utama jika ditinjau dari segi pengubahan momentum

20

2.7 Persamaan Dasar Aliran Fluida

Dalam perancangan turbin air ada 3 persamaan dasar aliran fluida yang dipakai

yaitu :

2.7.1 Persamaan Bernoulli

Persamaan Bernoulli menjelaskan bahwa untuk suatu aliran air di dalam pipa

dengan selisih ketinggian “ᵶ” antara tinggi air bagian pipa atas dan bagian pipa bawah

memiliki energi yang dapat dihitung dengan:

Pair = ṁ.g.∆ ᵶ +ṁ.∆

+ṁ.∆

(Nm)………...……………..………(2.16)

Keterangan :

Pair = Energi yang terdapat pada air (Nm).

ṁ = laju aliran massa air ( kg/dt ).

g = gaya gravitasi ( )⁄ .

∆ ᵶ = selisih ketinggian ( m ).ṁ.∆= energi tekan (watt).

ṁ.∆= energi kinetis (watt).

Gambar 2.11 Aliran energi pada air [13]

Page 18: Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, II revisi... · 2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik Turbin air dibedakan menjadi 2 golongan utama jika ditinjau dari segi pengubahan momentum

21

Untuk “spesifik energi”, ditentukan apabila pada aliran diatas diambil air

sejumlah 1 kg untuk diperhitungkan, jadi persamaan diatas dibagi massa (m) menjadi

[16] :

w = g.∆z+ ∆ +∆

(Nm/Kg)……………………………………………(2.17)

Adapun persamaan untuk energi Head air dapat ditarik dari persamaan diatas

yaitu dengan membaginya dengan percepatan gravitasi [13] :

H = ∆ᵶ+ ∆. +∆

(m)………………………..………………….(2.18)

Keterangan :

∆ᵶ = Beda ketinggian (m)∆. = Head tekanan (m)

∆= Head kecepatan (m)

2.7.2 Persamaan Kontinyuitas

Melalui prinsip kekekalan massa dimana untuk aliran mantap (steady) massa

fluida yang melalui semua bagian dalam arus fluida persatuan waktu adalah sama, dari

sinilah persamaan kontinyuitas dihasilkan. Jika dijabarkan akan menjadi :

ρ.A1.V1= ρ.A2.V2………………………….………………………………(2.19)

Sedangkan untuk aliran incompressible (tak termampatkan) dimana perubahan densiti

selama aliran adalah nol, dan karena ρ1= ρ2, persamaan ini menjadi :

A1.V1= A2.V2= Q……………………………………….…………………(2.20)

Keterangan :

Q = Kapasitas aliran (liter/detik)

A = Luas penampang ( )V = Kecepatan aliran Fluida (m/dt)

Page 19: Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, II revisi... · 2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik Turbin air dibedakan menjadi 2 golongan utama jika ditinjau dari segi pengubahan momentum

22

Gambar 2.12 Aliran fluida pada pipa berventuri [14].

Gambar 2.12 merupakan aliran fluida pada pipa berventuri, seperti dijelaskan

pada persamaan kontinyuitas bahwa debit pada sisi A1 dan A2 adalah sama maka

kecepatan air pada sisi A2 akan lebih tinggi daripada sisi A1.

2.7.3 Persamaan Euler

Terdapat hubungan antara tinggi air jatuh yang tersedia untuk memutar runner

turbin dengan kelengkungan sudu runner itu sendiri untuk pemanfaatan energi air

secara maksimal.

Gambar 2.13 Hubungan tinggi air jatuh dengan bentuk sudu kincir air [13] .

Gambar 2.13 merupakan hubungan tinggi air jatuh dengan bentuk sudu kincir,

semakin kecil ketinggian jatuh air maka kelengkungan sudunya harus dibuat semakin

lurus juga.

H =₁. ₁ᵤ ₂. ₂ᵤ. (m)…………………………………..………..(2.21)

Keterangan :

= Kecepatan tangensial pada runner (m/dt)

g = Percepatan grafitasi (m/ )

22

Gambar 2.12 Aliran fluida pada pipa berventuri [14].

Gambar 2.12 merupakan aliran fluida pada pipa berventuri, seperti dijelaskan

pada persamaan kontinyuitas bahwa debit pada sisi A1 dan A2 adalah sama maka

kecepatan air pada sisi A2 akan lebih tinggi daripada sisi A1.

2.7.3 Persamaan Euler

Terdapat hubungan antara tinggi air jatuh yang tersedia untuk memutar runner

turbin dengan kelengkungan sudu runner itu sendiri untuk pemanfaatan energi air

secara maksimal.

Gambar 2.13 Hubungan tinggi air jatuh dengan bentuk sudu kincir air [13] .

Gambar 2.13 merupakan hubungan tinggi air jatuh dengan bentuk sudu kincir,

semakin kecil ketinggian jatuh air maka kelengkungan sudunya harus dibuat semakin

lurus juga.

H =₁. ₁ᵤ ₂. ₂ᵤ. (m)…………………………………..………..(2.21)

Keterangan :

= Kecepatan tangensial pada runner (m/dt)

g = Percepatan grafitasi (m/ )

22

Gambar 2.12 Aliran fluida pada pipa berventuri [14].

Gambar 2.12 merupakan aliran fluida pada pipa berventuri, seperti dijelaskan

pada persamaan kontinyuitas bahwa debit pada sisi A1 dan A2 adalah sama maka

kecepatan air pada sisi A2 akan lebih tinggi daripada sisi A1.

2.7.3 Persamaan Euler

Terdapat hubungan antara tinggi air jatuh yang tersedia untuk memutar runner

turbin dengan kelengkungan sudu runner itu sendiri untuk pemanfaatan energi air

secara maksimal.

Gambar 2.13 Hubungan tinggi air jatuh dengan bentuk sudu kincir air [13] .

Gambar 2.13 merupakan hubungan tinggi air jatuh dengan bentuk sudu kincir,

semakin kecil ketinggian jatuh air maka kelengkungan sudunya harus dibuat semakin

lurus juga.

H =₁. ₁ᵤ ₂. ₂ᵤ. (m)…………………………………..………..(2.21)

Keterangan :

= Kecepatan tangensial pada runner (m/dt)

g = Percepatan grafitasi (m/ )

Page 20: Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, II revisi... · 2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik Turbin air dibedakan menjadi 2 golongan utama jika ditinjau dari segi pengubahan momentum

23

= Kecepatan relatif (m/dt)

= Efisiensi kincir (%)

2.8 Perancangan Kincir Air

2.8.1 Tinggi Air Jatuh

Air yang mengalir memiliki energi yang dapat dipergunakan untuk memutar

runner kincir air. Tinggi air jatuh atau Head merupakan hal penting dalam merancang

sebuah kincir air. Nilai Head akan menentukan bentuk kincir air, dengan menggunakan

rumus mekanika fluida, daya kincir air, luas penampang lintang saluran dan dimensi

bagian – bagian kincir air lainnya serta bentuk energi dari aliran airnya dapat

ditentukan.

2.8.2 Daya Potensial Air

Dari kapasitas perancangan air (Qd) dan tinggi air jatuh (h) maka dapat

diperoleh daya potensial air dengan rumus :

Pair = ρ . g . Qd . h ……………………………………………………..(2.22)

Keterangan :

Pair = daya air (Kw)

Qd = kapasitas air dalam rancangan ( . )⁄ρ = massa jenis air ( )⁄g = percepatan gravitasi ( )⁄h = tinggi air jatuh (m)

2.8.3 Dynamometer

Dynamometer atau “dyno” merupakan alat yang digunakan untuk mengukur

torsi yang dihasilkan oleh sebuah mesin yang diukur melalui porosnya [6].

Dynamometer mengabsorsi tenaga yang dikeluarkan oleh kincir dengan cara

pengereman bertahap sejak kincir tersebut dalam keadaan idle sampai pada Rpm

maksimumnya.

Page 21: Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, II revisi... · 2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik Turbin air dibedakan menjadi 2 golongan utama jika ditinjau dari segi pengubahan momentum

24

Pada penelitian ini menggunakan alat torsi meter untuk mengukur torsinya dan

alat Tachometer untuk mengetahui Rpm kincir. Berikut adalah persamaan untuk

menghitung torsi yang dibangkitkan oleh kincir air :

T = ( F1- F2 ) . RP = ( ∆m ) . g . RP………………………….…………….(2.23)

∆m = m1 – m2………………………….………………………………….(2.24)

Keterangan :

T = torsi terbangkitkan (Nm).

F1, F2 = gaya-gaya pada belt alat torsi (N).

RP = jari-jari puli torsi meter (m).

∆m = perbedaan beban massa pada timbangan-timbangan alat torsi (kg).

m1, m2 = massa beban pada timbangan-timbangan alat torsi (kg).

g = percepatan gravitasi (m/dt2.).

Gambar 2.14 dynamometer

Page 22: Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, II revisi... · 2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik Turbin air dibedakan menjadi 2 golongan utama jika ditinjau dari segi pengubahan momentum

25

Gambar 2.14 merupakan gambar dynamometer yang dipakai dalam pengujian

putaran berbeban dan tanpa beban. Unit dynamometer menggunakan 2 buah neraca

pegas gantung dan v belt yang telah dipotong sebagai penghubung antara puli kincir

dengan neraca pegas.

2.9 Pemilihan Unit Pompa

Dengan data perencanaan unit kincir air tersebut diatas digunakan sebagai acuan

dalam pemilihan unit pompa yang dipakai .Pompa yang dipakai adalah pompa torak

dengan spesifikasi sebagai berikut :

Pressure max. = 35 . ⁄Operation = 300 - 1000 RPM

Capacity max. = 20 ⁄Required power = 135 – 265 watt.

Pompa ini adalah sebuah pompa torak dengan 3 silinder yang memiliki

karakteristik Head yang besar. Pemilihan Head besar dikarenakan pompa akan

mendorong air melalui elevansi yang tinggi dari titik pompa hingga bak pengumpul.