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 masing-
masing 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. Ján 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, β =
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
α. Gaya momentum yang dihasilkan adalah; P = m’ (v1 – v2 cos α )
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
α ) Dimana ; Q = A. v1 dan w = ρ. G
a. Dasar Perhitungan Sudu
Kecepatan nominal Runner ; v (m/det)
V=0,44 (√2g H )
Dimana
H = Head total pompa (m)
Diameter nominal turbin; Dt (m)
Dt=60vπ n
Dimana
n = Kecepatan putran turbin (Rpm)
Jumlah sudu ; Z
Z=5,4√ Dt
dn
Dimana
dn = Diameter pancaran Nozel (m)
Lebar sudu ; Bs (mm)
Bs= (4−5 ) xdn
Kedalaman mangkok ; Cs (mm)
C s=(0,81−1,05 ) xdn
Lebar bukaan mangkok ; M (mm)
M=(1,1−1,25 ) x dn
Panjang sudu ; Ls (mm)
Ls=(2,4−3,2 ) x dn
Jarak pusat pancaran jet ke ujung sudu ;l (mm)
l=(1,2−1,9 ) x dn
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 (ρ).
d. Viskositas kinematik (v).
e. Faktor kekasaran suatu bahan (ε).
Pada besaran-besaran yang disusun dalam satu cara untuk membuatnya
tanpa dimensi diantaranya :
1. Bilangan Reynold (V. D. / v).
2. Faktor kekasaran (ε / D).
Untuk mengetahui faktor gesekan pada aliran laminer, dapat digunakan
rumus :
F=64ℜ
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.
N th ,fluida=ϓ QH th=ρgQ H th=mgH th(Watt )
WHP=ρ gQact H t
746 (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).
BHP=T 2πn
60 (watt)
Sehingga efisiensi turbin menjadi:
ηt=BHPWHP
x10
D. Turbin Cross Flow
Pada turbin impuls pelton beroperasi pada head relatif tinggi, sehingga pada
head yang rendah operasinya kurang efektif atau efisiensinya rendah. Karena
alasan tersebut, turbin pelton jarang dipakai secara luas untuk pembangkit
listrik skala kecil. Sebagai alternatif turbin jenis impuls yang dapat beroperasi
pada head rendah adalah turbin impuls aliran ossberger atau turbin crossflow.
Konstruksi turbin ini terdiri dari komponen utama yaitu:
1. Rumah turbin
2. Alat pengarah
3. Roda jalan
4. Penutup
5. Katup udara
6. Pipa hisap
7. Bagian peralihan
Aliran air dilewatkan melalui sudu sudu jalan yang berbentuk silinder,
kemudian aliran air dari dalam silinder ke luar melalui sudu-sudu. Jadi
perubahan energi aliran air menjadi energi mekanik putar terjadi dua kali
yaitu pada waktu air masuk silinder dan air ke luar silinder. Energi yang
diperoleh dari tahap kedua adalah 20%nya dari tahap pertama.
Gambar 4. Penampang turbin cross flow
Gambar 5. Runner turbin cross flow
Perkembangan teori rancang bangun dimulai dari mencari hubungan
parameter air terjun terhadap ukuran keseluruhan roda jalan dengan
persamaan :
A=0,23 x Q
√H (m2)
Dimana :
A = Luas penampang pipa pancar (semburan) berbentuk empat
persegi
panjang (m2)
Q = debit air atau laju aliran (m3/detik)
H = tinggi tekanan atau head bersih (m).
a. Rumusan Dasar
1. Tinggi Jatuh Air (Head)
Menurut persamaan Bernoulli maka persamaan tinggi jatuh air sebagai
berikut:
Komponen energi potensial
EZ = W . z
Dimana :
W = Berat fluida (N)
z = Jarak tegak / Head diatassuatu elevasi acuan (m)
Komponen energi tekanan
Ep = W.P /ϓ
Dimana:
P = tekanan air (N/m2)
ϓ = berat jenis fluida (N/m3)
Komponen energi kecepatan
Ek = W. c2/2.g
c = kecepatan fluida = √2gh
Dari persamaan diatas maka Energi totalnya adalah :
E = Ez + Ep + Ek
Apabila ruas kanan dan kiri dibagi dengan mg, maka persamaan diatas
menjadi persamaan tinggi jatuh atau head
H=z+ pρg
+ c2
2g=konstan
Dimana
H = tinggi jatuh air atau head total (m)
Z = tinggi tempat atau head potensial (m)
pρ g
=¿tinggi tekan atau head tekan (m)
c2
2g = tinggi kecepatan atau head kecepatan (m)
2. Daya yang Dihasilkan Turbin Pelton
Dari kapasitas air V dan tinggi air jatuh H dapat diperoleh Daya air
Pa = Q. 𝞀 . g . H
Dimana:
Pa = daya air (kW)
Q = kapasitas air (m/detik)
𝞀 = massa jenis air (kg/m3)
g = gaya gravitasi (m/s2)
H = tinggi air jatuh (m)
Dan efisiensi turbin:
Pt / Pa x 100%
Maka daya turbin yang diperoleh
Pt = Pa
Pt = Q . 𝞀 . g . H .
Dimana :
Pt = daya turbin (kW)
𝝶 = efisiensi turbin (%)
Secara sederhana dapat dinyatakan bahwa semakin tinggi jatuh air, dengan
kapasitas aliran sama, akan mempuyai energi potensial yang lebih besar
dibandingkan dengan tinggi jatuh air yang lebih rendah. Logika tersebut juga
erlaku sebaliknya, yaitu untuk tinggi jatuh air yang sama, energi potensial yang
dimiliki akan lebih besar apabila kapasitas aliran air juga besar.
3. Penentuan Luas Penampang Saluran
Diameter pipa dan luas penampang lintang saluran dalam turbin dapat dihitung
dengan menggunakan persamaan kontinuitas. Yang dimaksud dengan luas
penampang lintang saluran adalah suatu luasan permukaan irisan saluran
yang dibuat tegak lurus dengan arah aliran cairan.
Q = A .cn
Dimana :
Q = kapasitas air yang mengalir (m3/detik)
A = luas penampang pipa yang dipakai (m2)
Cn = kecepatan aliran air (m/detik)
Kecepatan aliran air akan besar pada penampang yang semakin kecil,
pada kapasitas aliran air yang sama. Adapun kecepatan pancaran air yang ke
luar
dari nosel (turbin pelton) adalah
cn=√2 g H n
4. Diameter dan Lebar Runner
Diameter luar runner dihitung dengan memakai rumus sebagai berikut.
U 1=π D1n /60
Maka
D 1=60U 1/π n
Dimana :
D1 = diameter luar runner ( m )
N = putaran turbin (rpm)
u1 = kecepatan runner (m/s)
Luas pemasukan aliran adalah hasil kali lebar runner, b0, dengan panjang
busur pemasukan, L. berikut
Gambar 6. Penampang runner cross flow
A = b0 . L
dimana :
A = Luas penampang pipa pancar (m2)
b0 = Lebar pipa pancar (m)
L = Panjang busur pemasukan (m)
L ditentukan oleh busur pemasukan, φ (0), dan diameter raner, D1 = 2.R1
L=2R1 π ϕ⁰
360⁰
Dengan tinggi terjun tertentu, luas pemasukan tergantung kepada kebuthan
debit aliran.
Q = A .v
dimana:
Q = Debit air atau laju aliran (m3/dtk)
A = Luas penampang pipa pancar (m2)
V = kecepatan aliran (m/dtk), tegak lurus terhadap luasan pemasukan
Komponen kecepatan yang berarah tegak lurus terhadap luasan pemasukan
adalah komponen kecepatan mutlak di arah bujur, cm. Sehingga dengan
demikian maka :
Q = A . cm
Komponen kecepatan di arah bujur ini dapat dinyatakan sebagai :
cm = c . sin α
dimana :
Q = Debit air atau laju aliran (m3/dtk)
A = Luas penampang pipa pancar (m2)
cm = Komponen kecepatan mutlak di arah bujur
c = Kecepatan mutlak
α = Sudut kecepatan mutlak
Bila kecepatan pancar bebas, dengan mengabaikan kerugian tinggi terjun
akibat gesekan aliran, menggantikan kecepatan mutlak, maka :
C=C v √2 gH
dimana:
c = Kecepatan mutlak
cv = Koefisien kecepatan nosel = 0,70
g = Percepatan gravitasi (m/dtk2)
H = Head air (m)
Menggunakan hubungan tersebut diatas, debit air masuk turbin dapat
dinyatakan dengan :
Q=ACm
Q=b0 LCm
Q=b02 R1π∅
°Cm
360 °
Q=b02 R1π∅ ° c sinα
360⁰
Q=b02 R1π ϕ0 √2gH sinα
360⁰
Persamaan diatas ini memuat semua besaran yang berpengaruh terhadap
debit
aliran masuk turbin, yaitu :
b0 = Lebar pemasukan
R1 = Jari –jari lingakaran luar raner
φ = Sudut busur pemasukan
H 1/2 = akar tinggi terjun netto
sin α = sinus sudut kecepatan mutlak di sisi masuk raner
Juga menjadi jelas bahwa baik lebar pemasukan maupun jari–jari raner
berpengaruh secara linear terhadap besar debit aliran. Dengan kata lain,
suatu turbin dengan lebar pemasukan, b0 = 300 mm dan diameter raner, D =
400 mm, mempunyai debit yang sama besar dengan turbin berdiameter, D =
300 mm dengan lebar pemasukan b0 = 400 mm. Ini menyebabkan kedua
turbin bekerja dengan tinggi terjun dan busur pemasukan bersih yang sama.
Walaupun kecepatan keliling kedua turbin sama, akan tetapi karena berbeda
diameter maka kecepatan masing – masing tidak sama.
b. Geometri Sudu
Untuk menyatakan hubungan geometri antara besaran-besaran R1, R2, β1, β2,
rb, rp dan δ diperlukan adanya para menter seperti tampak pada gambar. Yaitu
ε, ζ, Ø, c dan d.
Gambar 7. Geometri sudu
Gambar tersebut juga memberikan penyelesaian grafis atas persoalan ; sudut
(β1 + β2) yang digambarkan dari pusat runner sedemikian hingga satu sisi
pengapitnya memotong jari-jari R1 sedang sisi lainnya memotong R2. Garis
penghubung kedua titik potong tadi mempunyai panjang c. Garis ini memotong
lingkaran berjari-jari R2 sepanjang 2d dari titik potongnya dengan lingkar luar
runner.
Menarik garis atas jarak 2d ini menghasilkan garis tempat kedudukan pusat
kelengkungan sudu rb. Tit ik pusat kelengkungan sudu didapatkan merupakan
titik potong antara garis bersudut β1 yang ditarik dari tiitk potong atas
lingkaran berjari-jari R1 dengan garis bagi tersebut. Pusat jari-jari sudu
terletak sejauh jari-jari lingkaran tusuk rp dari sumbu runner Jari-jari rb
digambarkan sampai juga memotong lingkar dalam runner berjari-jari R2. Bila
kedua titik potong di kedua lingkar runner dihubungkan berturut-turut dengan
pusat jari-jari rb dan sumbu runner diperoleh sudut δ dan Ø. Dengan demikian
sudut lainnya pun dapat dibuat seperti tampak pada gambar. Rumus–rumus
berikut disusun dengan urutan yang diperlukan untuk menghitung harga δ,
rb,dan rp berdasarkan besaran R1, R2, β1 dan β2 yang sudah diketahui.
Konstruksi grafis geometri sudu dapat digunakan untuk memeriksa harga-
harga besaran hasil perhitungan.
Gambar 8. Vektor kecepatan sudu
c. Kecepatan Aliran Fluida
Menurut persamaan Euler, persyaratan awal bagi pertukaran energi antara
fluida yang bergerak degnan sudu runner, yang juga bergerak, suatu mesin
hidrolis adalah bahwa sudu runner menuyebabkan berubahnya kecepatan
fluida. Dalam hal fluida dipercepat oleh sudu runner, terjadi penyerahan
energy oleh sudu kepada fluida seperti terjadi pada pompa. Sebaliknya,
dimana fluida diperlambat oleh sudu, terjadi penyerahan energi dari fluida
kerja kepada runner mesin, merupakan prinsip kerja semua turbin air.
Menggunakan istilah segitiga kecepatan, pertukaran energi antara fluida
kerja dan sudu-sudu runner turbin berlangusng bila segitiga-segitiga
kecepatan sisi masuk dan sisi keluar berbeda. Mengingat kedua segitiga
kecepatan terususun dari tiga vector kecepatan c, u, dan w.
Gambar.9. Segi tiga kecepatan
harga masing-masing energi sisi masuk dan keluar harus diperbandingakn
sehingga dihasilkan istilah energi berikut :
Selisih tekanan statis akibat gaya sentrifugal
Selisih tekanan dinamis akibat perubahan kecepatan mutlak
Berdasarkan ini, energy teoritis Hth suatu system runner yang mengubah
energy aliran tanpa kerugian menjadi daya, dituliskan dalam bentuk
persamaan EULER berikut:
Hukum cosinus membuat rumusan berikut berlaku:
dimana:
α = sudut antara vektor-vektor kecepatan mutlak dan keliling.
dengan, c .cosα = cu
dimana:
cu = komponen vector kecepatan mutlak diarah keliling
dari persamaan diatas maka dapat dituliskan sebagai :
E. Turbin Turgo
Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 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.
Gambara 10. Runner turbin turgo
F. Karakteristik Turbin
Karakteristik suatu turbin dinyatakan secara umum oleh enam buah
konstanta yaitu :
Rasio Kecepatan (φ)
Kecepatan Satuan (Nu)
Debit satuan (Qu)
Daya satuan (Pu)
Kecepatan spesifik(Ns)
Diameter spesifik (Ds)
1. Rasio Kecepatan
Rasio Kecepatan (φ ) adalah perbandingan antara kecepatan keliling linier
turbin pada ujung diameter nominalnya dibagi dengan kecepatan teoritis air
melalui curat dengan tinggi terjun sama dengan tinggi terjun ( netto H ) yang
bekerja pada turbin.
∅=V linier
√2g H
V linier=NπD60
∅= ND
84,6√H
dimana :
N adalah putaran turbin [rpm]
D adalah diameter karakteristik turbin [m], umumnya diameter nominal
H adalah tinggi terjun netto/sffektif [m]
2. Kecepatan Satuan
Kecepatan satuan (Nu) adalah kecepatan putar turbin yang mempunyai putar
turbin yang mempunyai diameter (D) satu satuan panjang dan bekerja pada
tinggi terjun ( netto H ) satu satuan panjang. Dari persamaan rasio kecepatan
diperoleh korelasi :
N=84,6∅ √HD
Dengan memasukan nilai D = 1 m dan H = 1 m, maka :
Nu=84,6∅
dan didapat persamaan :
Nu= ND
√H
3. Debit Satuan
Debit yang masuk turbin secara teoritis dapat diandaikan sebagai debit yang
melalui suatu curat dengan tinggi terjun sama dengan tinggi terjun ( netto H )
yang bekerja pada turbin. Oleh karena itu debit yang melalui turbin dapat
dinyatakan
sebagai :
Q=Cd14π D 2√2g H
¿Cd D2√H
Cd=koefisien debit
Debit satuan (Qu) adalah debit turbin yang mempunyai diameter (D) satu
satuan panjang dan bekerja pada tinggi terjun ( netto H ) satu satuan panjang.
Qu=Cd14π √2g
maka :
Qu= Q
D2 √H
4. Daya Satuan
Daya (P) yang dihasilkan turbin dapat dinyatakan sebagai
P=ηQ H ϓ
¿ηQuD2 √HHϓ dimanaQuD2 √H adalah Q
maka :
P=ηϓ QuD 2H32
Dimana
η ϓ Quadalah Pu
Dengan η adalah efisiensi turbin, γ adalah berat jenis air [ lb/ft3] ≈62,5 lb/ft3
Daya satuan (Pu) adalah daya turbin yang mempunyai diameter (D) satu
satuan panjang dan bekerja pada tinggi terjun ( netto H ) satu satuan
panjang.
maka :
Pu= P
D2H32
5. Kecepatan Spesifik
limiasi diameter (D) dari Nu dan Pu menghasilkan korelasi :
N=√Pu NuH
54
√P
Dimana
√PuNuadalahNs
maka :
Ns= N √PH
54
Kecepatan spesifik (Ns) adalah kecepatan putar turbin yang menghasilkan daya
sebesar satuan daya pada tinggi terjun ( netto H ) satu satuan panjang.
Kecepatan spesifik (Ns) dapat dinyatakan dalam sistim metrik maupun sistim
Inggris, korelasi dari kedua sistem tersebut dinyatakan dalam Ns (metrik) = Ns
(Inggris) x 4.42
Catatan : Satuan daya yang digunakan dalam persamaan di atas adalah daya
kuda
(DK) atau horse power (HP).
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 performa yang sudah
diketahui. Kecepatan spesifik merupakan kriteria utama yang menunjukkan
pemilihan jenis turbin yang tepat berdasarkan karakteristik sumber air.
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 dan selalu dapat diartikan sebagai titik efisiensi
maksimum. Perhitungan tepat ini menghasilkan performa turbin dalam
jangkauan head dan debit tertentu.
6. Diameter Spesifik
Dari persamaan Pu diperoleh korelasi :
D= 1√Pu
√P
H34
dimana1
√PuadalahDs
Diameter spesifik (Ds) adalah diameter turbin yang menghasilkan daya sebesar
satuan daya pada tinggi terjun ( netto H ) satu satuan panjang. maka :
Ds=DH
34
√PRumus empiris2 untuk menghitung diameter spesifik dari diameter debit
(discharge diameter, 3 D ) untuk turbin reaksi adalah sebagai berikut :
Turbin francis
D3 s=567,85
N s0,37
(cm)
Turbin propeller
D3 s=475,72
N s0,34
(cm)
Untuk turbin reaksi, jika diameter spesifiknya telah dihitung dengan
persamaan-
persamaan di atas, maka diameter debit dapat dihitung dari persamaan
D= 1√Pu
√ p
H34
Diameter debit sangat berguna untuk penentuan dimensi pipa spiral dan pipa
isap.
TURBIN IMPULS
(Makalah)
Oleh
Nama : Ahmad Rapa’i NPM : 0815021020
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS LAMPUNG
2013
Top Related