PERANCANGAN TURBIN FRANCIS PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO

”Studi Kasus Di Desa Manggisan Kecamatan Tanggul Kabupaten Jember”

TUGAS AKHIRKONVERSI ENERGI

DOSEN PEMBIMBING :Dr. Ir. Heru Mirmanto, MT

Oleh :Ade Wira Kusuma2108100623

Energi listrik

Bahan bakar fosil

Sumber tenaga terbarukan

Peningkatan kebutuhanenergi listrik

Potensi Sungai Antrokan

PLTMH

Menipisnya sumber energi tersebut

Mahal

Belum terlaksananya Kebijakan Pemerintah secara maksimal

Proporsi penggunaan sumber energi

Banyaknya sumber energiterbarukan

Latar Belakang

Polusi

Perumusan Masalah

1. Bagaimana merancang turbin air berdaya sedang, handal, efisiensi tinggi,mudahpengoperasian dan perawatannya

2. Bagaimana mendesain/merancang turbin air tipe francis yang sesuai kondisi lokasidengan ΔZ =25m dan Q = 0.5 m3/s

Telah dioperasikannya beberapa PLTMH dengan instalasi dan desain sangatsederhana, berdaya kecil dan effisiensi rendah.

Efisiensi dari turbin sebesar 0,85 berdasarkan grafik effisiensi sebagai fungsibeban.

Agar memudahkan sistem transmisi dibutuhkan putaran turbin sebesar 375 rpm.

Letak power house kurang lebih 41 meter.

Data dengan tinggi jatuh air = 25 meter dan debit air = 0,5 m3/detik.

Batasan Masalah

Turbin air yang direncanakan adalah turbin francis.

Tujuan

1. Runner (roda turbin)

2. Spiral Casing (rumah turbin)

3. Guide Vane (sudu diam)

4. Draft Tube

Membuat gambar susunan turbin hasil rancangan

Merancang komponen utama turbin francis yang dapat dioperasikan sesuaikondisi lapangan Sungai Antrokan, komponen-komponen utama yang dirancangmeliputi :

Merancang penstock.

Merancang poros, pasak dan melakukan pemilihan bearing.

Dihasilkan suatu desain turbin francis yang memiliki daya sedang, handal, efisiensitinggi, mudah pengoperasian dan perawatannya serta sesuai kondisi lokasi.

Bermanfaat bagi masyarakat sekitar lokasi di sungai antrokan untuk memberipengetahuan tentang turbin yang digunakan untuk menggerakkan generator gunamembangkitkan listrik.

Manfaat

Tahapan Perancangan

Studi literatur

Studi lapangan

Perancangan pipa pesat → Jenis dan dimensi pipa

Perancangan turbin- Pemilihan jenis turbin menurut putaran spesifik- Perancangan komponen utama turbin

- Runner- Spiral casing- Guide vane- Draft tube

Perancangan poros → Bahan poros dan ukuran poros

Perancangan pasak → Bahan dan dimensi pasak

Pemilihan bearing → Tipe, dimensi dan umur bearing

Tahapan Perancangan Turbin Francis Debit (Q)Perbedaan ketinggian (∆Z)Panjang penstock (l) Diameter internal penstock (D) Losses coefficent fitting perpipaaan (K) Le/D fitting perpipaan Massa jenis air tawar (ρ) Efisiensi turbin (ηt) Viskositas kinematik air tawar (μ)

Parameter perancangan

Metode Perancangan

Pemilihan Jenis Turbin menurut Ns

Mulai

Data Perencanaan

Kecepatan Aliran dalam Penstock

Head Turbin

A

Daya TurbintgHQN ηρ ××××=

Putaran Spesifik

4/5HNn

N turbins

×=

Perencanaan Putaran Turbin

Menentukan Pilihan Turbin

Selesai

A

Q1’ dari gambar 2.15

Diameter inlet streamline sentralD1A, β1, dari gambar 2.14 untuk Ns tertentu

Diameter hubDshDh )4,13,1( −=

Diameter outlet

HQQDs×

='1

B/D dari gambar 2.17

Lebar Roda Turbin

1DDBB ×=

Menentukan D2A dengan menggunakan metode grafis pada software autocad

Mulai

N (daya turbin), Ns (putaran spesifik), Q (debit), H (head turbin), n (putaran turbin)

Diameter poros3/1

1,5

×××= TCKDsh bt

aτ

Dimensi RunnerDh(Øhub),Ds(Øoutlet),D1A(Øinlet streamline),B(lebar

runner),D2A(Øoutlet streamline)

A

Kecepatan MeredionalHgKcC mm ×××= 22/12/1

Dengan mengasumsikan β2=25° dan menggunakan metode tabel didapatkan (r, Cm,

β, Mst, θ) untuk setiap streamline.

Selesai

Menggambar Runner (Roda Turbin)

Jumlah sudu roda turbin)

2sin(13 21 ββ +

××=e

rZ m

A

Perancangan runner

Dimensi runner

Perancangan spiral casing

Mulai

Putaran spesifik (Ns), Diameter Keluaran (Ds)

Menggambar Spiral Casing (Rumah Turbin)

Selesai

Dimensi Spiral Casing (Rumah Turbin)

ss NDA 5,192,1 −=

A

ss NDB 8,541,1 +=

ss NDC 25,4932,1 +=

ss NDD 8,485,1 +=

ss NDE 6.6398,0 +=

ss NDF 4,1311+=

A

ss NDG 5,9689,0 +=

ss

NDI 00065,01,0 +=

ss

NDL 00049,088,0 +=

s

s

NDM

000015,06,0 +=

Perancangan guide vane

Mulai

D’=Dimensi Rumah Turbin (G)

Diameter inlet ring guide vane (G)Diameter outlet ring guide vane (D’)

pada gambar 2.25

Jumlah Guide Blades)64('

41

÷+= DZ

A

Menentukan penampang dari guide blade berdasarkan

gambar 2.23

Selesai

Gambar 2.21. Grafik The Guide Vane Maximum Angle a0 at Full

Load Fungsi Putaran Spesifik (Ns)

Menggambar Guide Vane

Diameter peletakkan Guide Vane Shaft

)07,129,0(10 +Ω= DD

A

Perancangan draft tube

Putaran spesifik (Ns)Diameter keluaran (Ds)

Mulai

Dimensi Draft Tube

Selesai

Menggambar Draft Tube

ss NDN 3.20354,1 +=

ss NDO 7,14083,0 +=

ss

NDP 00056,037,1 −=

ss NDQ 6,2258,0 +=

A

ss NDR 0013,06,1 −=

s

s

NN

DS

25,028.93 +−=

ss

NDT 00019,05,1 +=

ss

NDU 0007,051,0 −=

ss NDV 7,5310,1 +=

ss NDZ 8.3363,2 +=

A

Data Input Perancangan1. Lokasi : Sungai Antrokan2. Spesifikasi pipa pesat :

Material : Thermoplastic PVC (Polyvinyl Chloride) pipes Schedule 80Panjang : 50 mExternal diameter : 24 inchInternal diameter : 21,418 inch (0,544 m)

3. Q = 0,5 m3/s4. ∆Z = 25 m5. Efisiensi turbin 0,856. Putaran turbin n = 375 rpm7. Fluida kerja air tawar, dengan properties : T = 25 C , ρ = 997,1 kg/ m

Perancangan Turbin

Perhitungan netto Head Turbin (H) Head loss mayor pada pipa pesat (hl)

Dari tabel friction loss and flow velocity in PVC and CPVC pipes Schedule 80 didapatkan :

1. Kecepatan aliran (V) = 2,1235 m/s2. Friction Head = 0,5356

ftmfthl

3048,05495,004,164 ××=

mhl 27476,0=

Panjang pipa = 164,04 ft

Head loss mayor =

Head loss minor pada pipa pesat (hlm)

hlm = hlme + hlmPb + hlmg + hlmel

Dimana : hlme : hlm pada entrance, dengan K1 =0,5

hlmPb : hlm pada pipe bends, dengan 15=DLe

hlmg : hlm pada gate valve, dengan K2 = 0,15

hlmel : hlm pada enlargement, dengan K3 = 0,15

Head loss minor =g

VKKDLefK

22

2

321

+++

gV

Dlfhl 2

2−

××=

0127,0=f

friction factor (f) →

0,2782 mhlm =

∑−−+−

+−

= hlZZgVVPPH 21

22

2121

2γNetto Head Turbin (H) :

P1 = P2 = PatmV1 = V2 ≈ 0 m/s2

)( lml hhZH Σ+−∆=

mH 447,24=

Daya Turbin

tgHQN ηρ ××××=

HpkW 2863,1366303,101 ==

Putaran Spesifik Dari Turbin

45

)(H

NnN s×

=4

5)447,24(

63,101375

m

rpmNs×

= 70=sN

Perancangan runner

1. Diameter Poros (Dsh)3/1

1,5

×××= TCKD bt

ash τ 21 SfSf

Ba ×=

στ

5,1658×

=aτ

2/44,6 mmkga =τ

Kt = faktor koreksi ; 1,5-3

Cb = 1,2-2,3Dsh = 77,75 ≈ 80 mm

2. Diameter hub (Dh)

shh DD ×−= )4,13,1(

= 108 mm

Dimensi runner

3. Diameter keluaran roda turbin (Ds=D3)

HQQDs×

='1

165,0'1 =Q

mmmDs 783783,0 ==

4. Diameter masukan central streamline (D1A=D1)°= 901β

11 >sD

DsA DDD >= 11

D1 = 790 mm

5. Lebar roda turbin (B)

11/ DDBB ×=

mmB 790095,0 ×== 75,05 mm

6. Diameter keluaran central streamline (D2A)

D2A = 445,866 mm

7. Meredional Velocity (Cm)

gHKC Cmm 211 ×=

gHKC Cmm 222 ×=

Kcm1 = 0,135 Kcm2 = 0,1

Cm2 = 2,19 m/s (outlet)

Cm1 = 2,9566 m/s (inlet)

Pengecekan Dimensi Poros Turbin

1. Perhitungan Volume dan Berat Roda Turbin (Runner)•Perhitungan volume sudu roda turbin

sudusegmen ketebalanluassegmensudusuduvolume ×××=− ∑∑Σsudu = 8 buahΣsegmen = 10.000 buahketebalansudu = 5 mmluassegmen = 7,3269 mm2

volume sudu = 2,9308 x 10-3 m3

•Perhitungan volume bagian roda turbin yang lain (tanpa sudu)Volume tanpa sudu

Volume total roda turbin = Volume sudu + Volume tanpa sudu33103433,7 m−×=

biruhijau bagianVolbagianVol .. +=

3910)9425,864.129.27916,669.282.2( m−×+=3910734,534.412.4 m−×=

gVolumew rturbinrodatotalr ××= −− ρ

Nwr 2829,540=

Berat runner (wr) :High Chromium Ironρ = 7,5 gram/cc

2. Perhitungan Volume dan Berat Poros

Berat poros (wsh) :

Material S35C-D, densitas (ρ) sebesar 7,85 gram/cc

gVolumew shshsh ××= ρ

Nwsh 134,232=

3. Torsi yang Diakibatkan oleh Daya yang Dihasilkan Turbin (Torque)

nNTorque

××

=π2

60

Nm307,2589=

4. Hydraulic Thrust (T)

94,2

2 HDKT s ××= K = 0,26

N79,29981=

5. Perhitungan Gaya Radial (Fr)

BDpKF rr ×××= 1

43

)(H

gpmnns

×=→

gpmQ 1,7826=→

ftH 2067,80=→

6,1245=→ sn

K r= 0,19

BDgHKF OHrr ×××××= 1)(2

ρ

NFr 7959,2693=

Tegangan geser maximum

22

2 syx

maks τσσ

τ +

−= σx = 0

22

2)(

sy

maks τσ

τ +

−=

asumsi :berat pully (W b) = 75 Nberat flywheel (W f) = 150 N

MPaD

WWTwwDFa

sh

fbshr

shy 1662,6

.).(4

..4

22 =++++

==→ππ

σ

MPaD

Torque

shs 1356,26

.16

3 ==→π

τ

MPamaks 1356,26=τ

Pengecekan keamanan poros

NSsyp

maks ≤τ

2581356,26 MpaMpa ≤ Aman

Material poros : S35C-D

Perancangan Spiral Casing

70=sN

mmDN

A ss

7225,192,1 =

−=→

mmDN

B ss

14748,541,1 =

+=→

mmDN

C ss

158525,4932,1 =

+=→

17218,485,1 =

+=→ s

s

DN

D

mmDN

E ss

14796,6398,0 =

+=→

mmDN

F ss

22534,1311 =

+=→

mmDN

G ss

18475,9698,0 =

+=→

( ) mmDNI ss 114.00065,01,0 =+=→

( ) mmDNL ss 716.00049,088,0 =+=→

( ) mmDNM ss 471.000015,06,0 =+=→

•

Ds = 783 mm

Material Spiral casing : Cast Iron ASTM A356

Jumlah Guide Blade

)64('41

÷+= DZl mmDD )10040(' 1 ÷+=

mmDmmmmD

830'50790'

=+=

583041

+= mmZl

= 12 buah

Outlet Blade Angle

Ns = 70 Outlet Blade Angle =14,5

Perancangan Guide Vane

mmG 1847=→

Diameter range peletakkan guide vane (Do)

)07,129,0(10 +Ω= DD−−−−

=Ω Qω

Hg..2ωω =

−− 60..2 nπω =

srad /25,39=

8,1=−−ω

02283,0=−−

Q

HgQQ

..2=

−−

2708,0=Ω

)07,1)2708,0(29,0(7900 +××= mmD

mmD 338,9070 =

Didapatkan :

Maka :

Material Guide vane : High Chromium Iron

Perancangan Draft Tube

70=→ sN

mmDN

N ss

34803,20354,1 =

+=→

mmDN

O ss

22237,14083,0 =

+=→

( ) mmDNP ss 1042.00056,037,1 =−=→

mmDN

Q ss

7076,2258,0 =

+=→

mmDN

R ss

12530013,06,1 =

−=→

mmDN

NS ss

s 6668.25,028,9

=

+−

=→

( ) mmDNT ss 1185.00019,05,1 =+=→

( ) mmDNU ss 361.0007,051,0 =−=→

mmDN

V ss

14627,531,1 =

+=→

mmDN

Z ss

24388,3363,2 =

+=→

→Ds = 783 mm

Material Draft tube : Cast Iron ASTM A356

Perencanaan Pasak

Gaya yang Bekerja pada Pasak dan Dimensi pasak

2shD

TorqueF =→

NF 675,64732=

1. Tegangan geser pada pasak →LW

FAFSs ×==

→Dari buku Deutschman, Aaron D., Michels, Walter J., and Wilson, Charles E. Machine Design theory and practice, poros Ø80 mm (2 7/8 inch) : W = H = 3/4 inch = 1,905 cm.

Syarat aman pasak : sfSsypSs ≤ Ssyp = 0,58Syp

Syp = 60,2 ksi = 415 MpaPanjang pasak minimal :

WSypsfFL×

×≥

58,0

mL 028,0≥

2. Tegangan kompresi pada pasak →LH

FAFSc

×==

2

Syarat aman pasak :sf

ScypSc ≤sf

Sypsf

Scyp=

Panjang pasak minimal :SypH

sfFL×××

≥2

PamNL

)10415(01905,05,254,582212

6××××

≥

mL 0333,0≥

Ditinjau dari tegangan geser dan tegangan kompresi Jadi panjang pasak minimum : 3,33 cm

Maka panjang pasak yang digunakan : 4 cm

Material pasak : AISI 1018

Pemilihan Bantalan

Spherical Roller Thrust Bearing

→ standard ISO untuk bearing

d (diameter dalam) = 80 mmD (diameter luar) = 170 mmH (tebal) = 54 mmC (konstanta dynamic load) = 670 kNCo (konstanta static load) = 1630 kNA (minimum load factor) = 0,25

→ minimum load bearing :2

1000.8,1

+=

nAFF ram

kNFam 88,4=

bshram WwwTF +++≤Syarat bearing beroperasi baik :

Umur bantalan :p

skfnm PC

naaL

=

6010.

6

1

a1 = 1askf = 0,35

C = 670 kN

P = equivalent dynamic bearing

ra FFP 2,1+== 34,062 kN

3/106

062,34670

375601035,01

×

×=kN

kNrpm

Lnm

jamLnm5102,3 ×=

Material bearing : 52100 High C-Cr

A = 722 mm F = 2253 mm

B = 1474 mm G = 1847 mm

C = 1585 mm I = 114 mm

D = 1721 mm L = 716 mm

E = 1479 mm M = 471 mm

Spiral casing :

Jumlah Guide Blades (Zl) = 12 buah

Outlet Blade Angle (α0) = 14.5º

Diameter range peletakkan guide vane (D0) = 907,3 mm

Guide vane :

Draft tube :

N = 3480 mm S = 6668 mm

O = 2223 mm T = 1185 mm

P = 1042 mm U = 361 mm

Q = 707 mm V = 1462 mm

R = 1253 mm Z = 2438 mm

Poros:

Pasak :

Panjang = 60 cm

Diameter (Dsh) = 8 cm

Panjang (L) = 4 cm

Lebar (W) = 3/4 inch = 1,905 cm (berdasarkan tabel)

Tinggi (H) = 3/4 inch = 1,905 cm (berdasarkan tabel)

Tipe = Square Key