BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengertian Turbin Air Turbin ...

4

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pengertian Turbin Air

Turbin merupakan fungsi mengubah energi potensial fluida menjadi energi

mekanik yang kemudian diubah lagi menjadi energi listrik pada generator.

Komponen – komponen turbin adalah sebagai berikut :

1. Sudu pengarah

Biasanya dapat diatur untuk mengontrol kapasitas aliran yang masuk

turbin .

2. Roda jalan atau runner turbin

Pada bagian ini terjadi peralihan energy potensial fluida menjadi energy

mekanik.

3. Poros turbin

Pada poros turbin terdapat runner dan ditumpu dengan bantalan radial dan

bantalan axial.

4. Rumah turbin

Biasanya berbentuk keong atau spiral, berfungsi untuk mengarahkan aliran

masuk sudu pengarah.

5. Pipa hisap atau draft tube

Mengalirkan air yang keluar turbin kesaluran luar.

Adapun perbandingan krakteristik jenis turbin dapat kita lihat grafik net head (m)

dan flow ( m3/s) dibawah ini :

5

Grafik 2.1 karakteristik turbin

Sumber : (sugiyanto,didik, 2016)

Keterangan :

Daerah dengan garis biru mempresentasikan turbin Kaplan.

Daerah dengan garis merah mempresentasikan turbin Francis.

Daerah dengan garis hijau mempresentasikan turbin Pelton.

Daerah dengan garis hitam mempresentasikan turbin Crossflow.

Dapat dilihat grafik 2.1 turbin Kaplan adalah turbin yang beroperasi pada

head yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi atau bahkan beroperasi pada

kapasitas yang sangat rendah. Hal ini karena sudu-sudu turbin Kaplan dapat diatur

secara manual atau otomatis merespon perubahan kapasitas.

Turbin pelton adalah turbin yang beroperasi pada head tinggi dengan

kapasitas yang rendah ,untuk turbin francis mempunyai karakteristik yang berbeda

dengan yang lainnya yaitu turbin francis dapat beroperasi pada head yang tinggi.

Pemilihan turbin kebnyakan didasarkan pada head air yang didapat dan

kurang lebih rata-rata alirannya. Umumnya turbin impuls digunakan untuk tempat

dengan head tinggi, dan turbinreaksi digunakan untuk tempat dengan head rendah.

Turbin Kaplan baik digunakan untuk semua jenis debit dan head , efisiennya baik

dalam segala kondisi aliran.

6

Aplikasi penggunaan turbin berdasarkan tinggi head yang didapatkan sebagai

berikut ini :

1. Turbin Kaplan : 2<H<100 Meter

2. Turbin Francis : 5<H<500 Meter

3. Turbin Pelton : H>30 Meter

4. Turbin Banki : 2<H<200 Meter

2.2 Pemilihan Jenis Turbin

Jenis turbin yang digunakan sangat tergantung dari besarnya debit air (Q)

dan tinggi jatuh air yang tersedia, besarnya harga dari debit dan tinggi jatuh air ini

didapat dari hasil survey kelapangan. Secara teoritis dalam perencanaan pemilihan

jenis turbin ditentukan berdasrkan kecepatan spesifikasi (nq), karakteristik turbin

dan debit serta tinggi jatuh air efektif (He). Turbin dapat dikelompokkan dalam 2

tipe, yaitu :

Gambar 2.1 turbin impuls dan turbin reaksi

Sumber : https://en.wikipedia.org/wiki/File:Turbines_impulse_v_reaction.png

https://en.wikipedia.org/wiki/File:Turbines_impulse_v_reaction.png

7

2.2.1 Turbin Reaksi

Turbin reaksi adalah turbin yang memanfaatkan energy potensial

untuk menghasilkan energy gerak. Sudu pada turbin reaksi

mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan

tekanan air selama melalui sudu.

a. Turbin francis

Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin

dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan

air bertekanan rendah di bagian keluarTurbin Francis menggunakan

sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air masuk secara

tangensial. Sudu pengarah pada turbin Francis dapat merupakan

suatu sudu pengarah yang tetap atau pun sudu pengarah yang dapat

diatur sudutnya. Untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran air

penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan

yang tepat.

Gambar 2.2 Turbin francis.

sumber : (perpustakaan, 2003)

b. Turbin Kaplan

Turbin Kaplan dan propeller merupakan turbin rekasi aliran

aksial. Turbin ini tersusun dari propeller seperti pada

8

perahu.Propeller tersebut biasanya mempunyai tiga hingga enam

sudu.

Gambar 2.3 Turbin Kaplan


2.2.2 Turbin Impuls

Turbin impuls adalah turbin yang memanfaatkan energy

potensial air diubah menjadi energy kinetic dengan nozel.air keluar

dari nozel mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin,

setelah membntuk sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga

terjadi momentum ( impuls ), akibatnya roda turbin akan berputar.

a. Turbin pelton

Turbin pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton

terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang

disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nozle. Turbin

Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien.

Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head

tinggi.

Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris.

Sudu dibentuk sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai

tengah-tengah sudu dan pancaran air tersebut akan berbelok ke

kedua arah sehinga bisa membalikkan pancaran air dengan baik

dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping sehingga terjadi

9

konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Turbin Pelton

untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150

meter tetapi untuk skala mikro head 20 meter sudah mencukupi.

Gambar 2.4 Turbin pelton


b. Turbin turgo

Turbin turgo dapat beroperasi pada head 30 m s/d 300 m.

Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi

sudunya berbeda. Pancaran air dari nozle membentur sudu pada

sudut 20 o. Kecepatan putar turbin turgo lebih besar dari turbin

pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke

generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan

biaya perawatan.

10

Gambar 2.5 Turbin turgo


c. Turbin crossflow

Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 liter/s.

hingga 10 m3/s dan head antara 1 m s/d 200 m. Turbin crossflow

menggunakan nozle persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan

lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu

sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis.

Air mengalir keluar membentur sudu dan memberikan energinya

(lebih rendah dibanding saat masuk) kemudian meninggalkan

turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang

pada sepasang piringan parale.

Gambar 2.6 Turbin crossflow


2.3 Defenisi Dan Rumus

1) Energi dikandung air (Nm)

W = m.g.z + m

+ m

…………. (1)

(sugiyanto,didik, 2016)

Dimana :

W : Energi yang dikandung air (Nm)

m : zat cair ( kg )

11

g : Gravitasi bumi (m/s2)

z : Ketinggian suatu tempat yang dipakai sebagai standart ( m )

P : Tekanan ( N/m2)

: Massa jenis zat cair (kg/m3)

c : Kecepatan aliran zat cair (m/s)

2) Pemilihan jenis turbin berdasarkan debit dan head

Q = V. A ………………. (2)


Dimana :

Q : Debit Air ( m3/s)

V : Kecepatan aliran air (m/s)

A : Luas penampang pipa

3) Pemilihan turbin berdasarkan head

Tinggi jatuh air actual dikurangi total kerugian energy (head losses)

disepanjang saluran. Dalam persamaan 10 dapat dinyatakan :

HI …………….. (3)


Dimana :

He : Tinggi jatuh air efektif (m)

Ha : Tinggi jatuh air actual (m)

HI : head losses (m)

4) Kecepatan spesifik ( )

= √

…………….(4)


Dimana :

: kecepatan spesifik

n : kecepatan putaran turbin ( rpm )

H : Tinggi jatuh air efektif (m)

12

Q : Debit air yang dibutuhkan (m3/s)

Kecepatan spesifik setiap turbin memiliki kisaran (range) tertentu berdasarkan

data, Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air ditunjukkan pada Tabel 2.1

Turbin pelton 12 ≤ NS ≤ 25

Turbin francis 60 ≤NS ≤ 300

Turbin crossflow 40 ≤ NS ≤ 200

Turbin propeller 250 ≤ NS ≤ 1000

Table 2.1 kecepatan spesifik beberapa turbin


5) Kecepatan keliling Turbin (U)

a. Kecepatan keliling bagian luar sudu ( )

= ul*. Co ………………(5)

Dimana :

* : factor kecepatan keliling bagian luar sudu

Co : √ (m/s)

b. Kecepatan keliling bagian leher poros sudu ( )

= .Co …………….(6)

Dimana :

= factor kecepatan keliling bagian leher poros sudu

c. Kecepatan keliling bagian tengah sudu ( )

=

……….(7)

6) Diameter turbin (D)

Gambar 2.7 sket turbin Kaplan


13

a. Diameter luar sudu Tubin (DL)

=

…………….(8)

Dimana :

uL : kecepatan keliling bagian luar sudu (m/s)

n : kecepatan putar turbin (rpm)

b. Diameter leher poros sudu turbin (DN)

=

……………(9)

Dimana :

uN : kecepatan keliling bagian luar sudu (m/s)

c. Diameter tengah sudu turbin (DM)

=

…………….(10)

Dimana :

Dl : diameter tengah sudu poros (m)

DM : diameter leher sudu poros (m)

d. Kecepatan sudu turbin

V=√ . ……………(11)

Dimana :

V : kecepatan aliran ( m3/s )

g : gravitasi ( m2/s )

H : selisih Ketinggian ( m )

e. Kecepatan masuk sudu pada tengah sudu :

√

(Dietzel, 1980)

Dimana :

Cl = kecepatan masuk sudu pada tengah sudu (m/s)

C2m = kecepatan meridian keluar sudu (m/s)

Cul = kecepatan absolut (m/s)

14

f. Kecepatan keluar sudu pada tengah sudu :

√

(Dietzel, 1980)

Dimana :

W1= kecepatan keluar sudu padda tengah sudu (m/s)

Um= kecepatan tangensial tengah sudu (m/s)

C2m= kecepatan keluar sudu (m/s)

Keceparan air melalui seluruh penampang :

C2=Cm

Gambar 2.8 Grafik menentukan Ul*,UN*, dan Cm* pengarah

Sumber : (Dietzel, 1980)

7) Kecepatan aliran ( )

=

…………………..(12)

Dimana :

Q : debit aliran ( m3/s)

A : luas penampang (mm) atau,

A :

.π

8) Daya Turbin (P)

……………….. (13) (Dietzel, 1980)

Dimana :

15

p = daya (kW)

= massa jenis air (kg/m3)

g = gravitasi (m/s2)

H = tinggi air jatuh (m)

Q = kapasitas air atau debit (m3/s)

9) Gaya aksial ( W )

W = (

). (

- ). D . . B …………..(14)

Dimana :

W : gaya aksial ( N )

: rapat air ( 1000 kg/m3)

: kecepatan relative aliran terhadap sudu jalan ( m/s )

: kecepatan relative aliran terhadap sudu pengarah ( m/s )

D : diameter tengah sudu ( m)

B : jumlah lebar seluruh sudu ( m )

10) Efisiensi ( )

=

……………… (15)

Dimana :

: efisiensi turbin (%)

: daya yang transmisikan turbin ( kw )

H : tinggi air jatuh ( m )

Q : debit aliran ( m3/s )

g : percepatan gravitasi ( m/s2 )

: kerapatan air ( kg/m3 )

11) Segiitiga kecepatan

Kecepatan aliran ( )

:

……………….. (16)

Dimana :

16

Q : debit air (m3/s)

A : luas penampang (mm)

A :

. π

a. Profil sudu

Pada profil sudu mempunyai kemiringan δ yang kecil, sudut kemiringan

δ adalah sudut yang dibentuk oleh aliran W∞ dengan kemiringan β∞ dan diantara

β1 dan β2 terdapat suatu lengkungan kecil.

Gambar 2.9 Sket profil sudu


Dimana :

δ : sudut kemiringan

: –

……………. (17)

Ymax : tebal profil

: {

} – ( 0,092.δ )

s : panjang profil

ζa : tahanan profil

ζa

: 2.

17

ζa . s/t dikenal sebagai factor pembebanan, harga s/t ( panjang tali

busur/pembagian sudu ) dipilih sampai dengan harga 1,4. Dengan demikian ζa

dapat di hitung.

b. Profil sudu bagian luar

Gambar 2.10 Segitiga kecepatan bagian luar.


Koefisien gaya angkat/tahanan profil [ζa ]

ζa

: 2.

………… (18)

dimana :

s/t diambil harga 1,2 dari grafik pemasangan sudut dan tahanan profil

diperbolehkan δ panjang profil [s]

s/t = 1,2

dimana :

t :

……………….. (19)

Tebal profil [Ymax]

Ymax : {

} – ( 0,092.δ )

c. Profil sudu bagian leher poros

18

Gambar 2.11 Segetiga kecepatan bagian leher poros


Koefisien gaya angkat/tahanan profil [ζa ]

ζa

: 2.

………………….. (20)

dimana:

Dari grafik pemasangan sudut dan tahanan profil diperoleh δ Panjang profil [s]

s/t : 1,2

dimana

t :

Tebal profil [ Ymax]

Ymax : {

} – ( 0,092.δ )

ns = 50 100 200 300 400 800 1000

Mmax = k Mn :k 2.2 2.05 1.88 1.8 1.75 1.7 1.6

nmax = Knn : K 1.6 1.8 1.9 2.4 2.6

Table 2.2 Nilai – nilai perhitungan kekuatan turbin(sesuai dengan kecepatan

spesifik).

Sumber : Nechleba, M. (1997), hal : 97.

19

Stream line R1

mm

R2

mm

U1

m/s

U2

m/s

u1 u2

A 625 645 34.2 35.3 0.772* O,797*

B 588 564 32.2 30.9 0.726 0,697

C 576 465 31.6 25.5 0.713 0.575

D 564 385 30.9 21.1 0.697 0.477

E 551 366 30.2 20.05 0.682* 0.454*

Table 2.3 menentukan kecepatan aliran perferial pada permukaan aliran .


Untuk ditandai* pada table berikut ,dapat menentukan kecepatan perferial pada

permukaan aliran .

.Table 2.4 menentukan kecepaan meridional


Dengan cara yang sama, menentukan kecepatan meridional; diperkirakan

koefisien pembatasan penampang melintang aliran sekitar φ2 = 0,80-0,85 untuk

blade runner, dan φ'= 0,85-0,9 untuk blade panduan, sekali lagi dengan reservasi

verifikasi berikutnya. Tabel diatas berisi koefisien-koefisien ini bersama dengan

nilai-nilai lain yang diperlukan, yang sudah diperbaiki, sebagaimana ditentukan

dari masing-masing bagian.

20

2.4 Rumah Keong (Spiral Casing)

Dalam hal ini yang digunakan dalam perencanaan spiral casing dianggap

sama dengan yang digunakan pada PLTM Plumbungan yaitu dengan plat baja

tebal 12-20 mm Baja Siemens Martin S55C (Sumber: PLTA PB. Soedirman) yang

sudah ada dipabrikan, dilas satu sama lain sehingga berbentuk spiral. Selubung

scroll terdiri dari 2 x 21 buah plat baja dengan tebal 12 – 20 mm bahannya adalah

Baja Siemens Martin S55C. Merencanakan ukuran- ukuran dari rumah keong

dalam hal ini D = 1230 mm dan kecepatan spesifiknya Ns = 144,62 rpm.

Gambar 2.12 spiral casing

Sumber : (R. saputra, 2018)

Karena penampang spiral casing berbentuk lingkaran, maka untuk

mempermudah perhitungan maka digunakan pendekatan dengan rumus empiris

yang terdapat pada literatur yang penulis miliki. a). Spiral Casing Dari Pandangan

Atas: Ukuran pada bagian A (m) spiral casing (Sumber: Warnick, 1984, hal; 136)

yaitu:

: 1,2 –

Ukuran pada bagian B (m) spiral casing:

: 1,1 +

Ukuran pada bagian C (m) spiral casing:

: 1,32 +

21

Ukuran pada bagian D (m) spiral casing :

: 1,50 +

Ukuran pada bagian E (m) spiral casing :

: 0,98 +

Ukuran pada bagian F (m) spiral casing :

: 1 +

Ukuran pada bagian G (m) spiral casing :

: 0,89 +

Ukuran pada bagian H (m) apiral casing :

: 0,79 +

2.4.1 Perhitungan poros

Poros merupakan salah satu bagian terpenting dari setiap mesin yang

berfungsi untuk meneruskan tenaga bersama-sama dengan putaran. Poros bisa

menerima beban berupa lenturan, tarikan, tekan, atau puntiran yang bekerja

sendiri-sendiri atau gabungan satu dengan lainnya. Pada turbin Kaplan poros

berfungsi sebagai penerus putaran runner ke generator. Diambil data:

P = 1,2 MW

Apabila P adalah daya nominal output dari turbin maka berbagai macam

faktor keamanan biasanya dapat diambil dalam perencanaan. Sehingga koreksi

pertama dapat diambil kecil. Faktor koreksi fc dapat dilihat pada tabel Faktor

Koreksi Daya Yang Ditransmisikan. Perhitungan untuk daya rencana (Sumber:

Sularso & Kiyokatsu, 1995, hal: 7) adalah sebagai berikut :

Pd = fc . P

22

Pd = 2800 kW

1. Momen puntir ( Torsi )

Momen puntir yang berkerja pada poros adalah T ( kg.mm) maka :

T : 9,74 × 105

Dimana : pd : daya turbin

N1 : rpm

Bahan poros yang direncanakan adalah baja paduan yaitu baja khrom

nikel (JIS G4120), SN C22 dengan perlakuan panas (pengerasan kulit), memiliki

kekuatan tarik σB = 80 kg/mm2 diperoleh dari tabel Bahan Baja Paduan Untuk

Poros.

2. Momen lengkung pada poros

Gambar 2.13 gaya pada poros

Sumber: (R. saputra, 2018)

Vin Vout

Vx : Vin Vy : Vout

Vy : 0 Vx : 0

Vz : 0 Vz : 0

Terjadi perubahan momentum yaitu :

F.t : Δ(m .V)

F.t : m . ΔV

F : Q . (V out – V in)

Karena perubahan kecepatan pada sumbu Z tidak ada maka Fz = 0, jadi :

23

F = Q . (0 – V in)

F = 7,68 . (0 – 8,32)

F = - 63,9 (reaksi terhadap arah aliran air)

Momen lengkung pada poros adalah :

Gambar 2.14 Lengkungan poros

Sumber: (R. saputra, 2018)

M : F . L

M : 383400 kg.mm

3. Tegangan geser pada poros

Tegangan geser yang diijinkan (Sumber: Sularso & Kiyokatsu, 1978, hal:

7), yaitu:

=

Dimana :

= Tegangan izin poros (kg/mm2)

= tegangan tarik bahan poros 100 (N/mm2)

= Faktor kelelahan puntir

= faktor kerenan poros dibuat bertingkat dan diberi pasak

4. Diameter poros

(

)

⁄

Dimana :

24

ds = Diameter poros (mm)

= Tegangan geser yang diizinkan (N/mm2)

Mp = Momen torsi yang diterima poros (N.mm)

Kt = Faktor koreksi untuk momen puntir

Cb = Faktor koreksi untuk beban lentur.

Untuk beban yang dikenakan secara halus harga Kt= 0,1 untuk beban

yang digunkan sedikit kejutan atau tumbukan harga Kt = 1,0 – 1,5 dan jika

beban dikenakan dengan kejutan atau tumbukan harga Kt = 1,3 – 3,

karenaa poros juga menerima beban lentur dari berat turbin maka

diperlukan faktor koreksi untuk beban lentur (Cb) yang harga nya 1,2 – 2,3

2.4.2 Bantalan

Bagian-bagian dari mesin yang terbuat dari logam yang berfungsi untuk

memperkecil gesekan pada putaran poros dengan lubang poros atau sebaliknya.

Klarifikasi bantalan

Bantalan dapat diklarifikasikan sebagai barikut :

1) Atas dasar gerakan bantalan terhadap poros

a. Bantalan luncur

Pada bantalan ini terjadi gesekan luncur antara poros dan bantalan

karena permukaan poros ditumpu oleh permukaan bantalan dengan

perantaraan lapisan pelumas.

b. Bantalan gelinding

Pada bantalan ini terjadi gesekan gelinding antara bagian yang

berputar dengan yang diam melalui elemen gelinding seperti bola

(peluru), rol atau rol jarum dan bulat

2) Atas dasar arah beban terhadap poros

a. Bantalan radial

Arah beban yang ditumpu bantalan ini adalah tegak lurus atau

sejajar dengan sumbu poros.

b. Bantalan geliding khusus

25

Ini dapat menumpu beban yang arahnya sejajar dean tagak lurus

sumbu poros.

Gambar 2.15 gambar macam –macam bantalan giliding (SULARSO,1997)

2.5 pasak

Pasak digunakan untuk menyambung dua bagian batang (poros) atau

memasang roda, roda gigi, roda rantai dan lain-lain pada poros sehingga terjamin

tidak berputar pada poros. Pemilihan jenis pasaktergantung pada besar kecilnya

daya yang berkerja dan kesetabilan bagian-bagian yang disambung. Untuk daya

yang kecil, antara naf roda dan poros cukup dijamin dengan baut tanam (set

screw).

Untuk ukuran lebar dan tebal pasak biasanya sudah distandarisasi maka

hasil perrhtungan harus dipilih ukuran yang ada pada standarisasi. Bila hasil

perhitungan, ukurannya tidak ada yang cocok dalam table pasak, maka ukuran

pasak yang diambil adalah ukuran yang lebih besar.

26

Diameter

poros

(mm)

Penampang pasak Diameter

poros

(mm)

Penampang pasak

Lebar

(mm)

Tebal

(mm)

Lebar

(mm)

Tebal

(mm)

6 2 2 85 25 14

8 3 3 95 28 16

10 4 4 110 32 18

12 5 5 130 36 20

17 6 6 150 40 22

22 8 7 170 45 25

30 10 8 200 50 28

38 12 8 230 56 32

44 14 9 260 63 32

50 16 10 290 70 36

58 18 11 330 80 40

65 20 12 380 90 45

75 22 14 440 100 50

Tabel 2.5 standart pasak melintang menurut IS : 2292 dan 2293-196

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengertian Turbin Air Turbin ...

Documents

Transcript of BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengertian Turbin Air Turbin ...