ABSTRAK. Kata kunci : mikrohidro power, head, debit, roda turbin, sudu diam, rumah turbin, draft tube

Perancangan Turbin Francis Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) “Studi Kasus Di Sungai Suku Bajo, Desa Lamaanabi, Kecamatan Tanjung Bunga, Kabupaten Flores Timur, NTT”

PERANCANGAN TURBIN FRANCIS PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO (PLTMH) “STUDI KASUS DI SUNGAI SUKU BAJO, DESA LAMANABI, KECAMATAN TANJUNG BUNGA, KABUPATEN FLORES TIMUR, NTT” Agi Noto Bawono 1) , Dedy Zulhodayat Noor 2)

Program Studi D3 Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri, ITS Surabaya E-mail: [email protected]), [email protected])

ABSTRAK Saat ini energi listrik merupakan salah satu sumber energi vital bagi kehidupan manusia, baik sektor rumah tangga, komersial, publik, maupun industri. Penyediaan energi listrik sudah merupakan salah satu infrastruktur yang wajib dipenuhi agar perekonomian suatu daerah dapat ditingkatkan. Banyak cara dilakukan untuk mengolah energi alam menjadi energi listrik. Salah satu brntuk energi yang dapat dimanfaatkan adalah energi potensial air yang banyak tersedia di Indonesia, namun belum digunkan secara maksimal. Sementara kita telah mengetahui bahwa energi potensial air merupakan energi yang dapat diperbarui, sehingga jika kita mampu memanfaatkan energi ini secara maksimal, kita tidak perlu lagi bergantung pada energi dari bahan bakar fosil yang akhir – akhir ini mengalami krisis ketersediaan. Salah satu potensi alam yang belum termanfaatkan adalah air terjun di sungai suku Bajo di Desa Lamanabi, Kecamatan Tanjung Bunga, Kabupaten Flores Timur, Nusa Tenggara Timur yang dengan tinggi jatuh air 50 meter dan debit air 0,15 m3/s sehingga dapat dimanfaatkan untuk membangkitkan energi listrik dengan menggunakan turbin air untuk memenuhi kebutuhan energi penduduk sekitarnya. Perancangan turbin diawali dengan pemilihan jenis turbin berdasarkan putaran spesifik (Ns) yang dihitung berdsarkan data head (H) dan kapasitas (Q) yang diperoleh setelah diketahui jenis turbin yang sesuai maka dapat dilakukan perancangan terhadap roda turbin (runner), sudu diam (guide vane), rumah turbin (spiral casing) dan draft tube. Pada peranacangan ini dihasilkan gambar kerja dari rod turbin (runner), sudu diam (guide vane), rumah turbin (spiral casing), dan draft tube yang pada nantinya desain dari turbin francis ini dapat digunakan dalam berbagai kondisi yang ada di Indonesia sehingga dapat membantu mengurangi krisis energi listrik yang terjadi.

Kata kunci : mikrohidro power, head, debit, roda turbin, sudu diam, rumah turbin, draft tube. I. PENDAHULUAN

30,88 kW pada saat beban puncak penggunaan energi listrik. Pemilihan jenis turbin francis ini sendiri didasarkan pada head yang tersedia yakni dengan head sebesar 50 meter, sehingga berdasarkan karakteristiknya ini yang paling sesuai tepat digunakan adalah turbin jenis francis. Namun demikian, meskipun pada saat proses perancangan desain turbin ini telah melalui perhitungan yang detail dengan asumsi yang didasarkan dari berbagai sumber. Namun, pada prakteknya saat dilakukannya proses pemasangan instalasi turbin ini dilapangan, terdapat perbedaan mendasar antara hasil perhitungan dan desain dengan keadaan riil yang ada. Oleh karena itu, kami tergerak untuk melakukan perhitungan ulang desain instalasi Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro jenis turbin francis ini sehingga akan ditemukan perhitungan yang tepat dengan kodisi karakteristik daerah yang tersebut.

Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) Lamanabi, Flores merupakan suatu proyek pengadaan sumber pembangkit tenaga listrik yang dilaksanakan oleh PT. PLN PUSHARLIS UWP VI Surabaya. Ditengah proses pembuatannya bersamaan dengan kami ditugaskan untuk melaksanakan kegiatan Kerja Praktek dengan membantu perakitan pembangkit listrik ini. Pada dasarnya Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro jenis turbin francis ini di desain dengan memperhatikan karakteristik daerah setempat utamanya sungai suku bajo sebagai sumber gerak utama pengkonversian energi pada turbin ini. Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Lamanabi dengan jenis turbin francis ini didesain dan dirancang dengan memperhitungkan tinggi jatuh air sebesar 50 meter dan debit desain sebesar 0.15 m3/s dari aliran air sungai suku bajo dan jenis turbin francis ini memiliki efisiensi turbin sebesar 84%. Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro ini dirancang agar dapat memenuhi kebutuhan listrik minimal Desa Lamanabi sebesar 38.600 VA atau

II. DASAR TEORI

2.1 HYDROPOWER

1


Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air, maka head adalah beda ketinggian antara permukaan air pada reservoir dengan muka air keluar dari kincir air/turbin air. Total daya yang dibangkitkan dari suatu turbin air adalah merupakan reaksi antara head dan debit air seperti ditunjukkan pada persamaan 1. P= (1)

6.Pengumpul minyak yang berputar 22 Tabung blok bantalan atas

Dimana: P = daya (watt) Q = debit air (m3/s) = densitas air (998 kg/m3) g = percepatan gravitasi bumi (9,81 m/s2) H = tinggi jatuh air

23 Cincin penutup roda bantalan tengah 24 Cincin penutup roda pengarah 25 Daun sudu pengarah 26 Tutup turbin bawah atau cincin roda pegarah

14.Tabung penutup poros 15.Titik tangkap servomotor 16.Cincin pengatur 30. Sudu penyangga 31 Cincin sudu penyangga

27 Saluran udara pipa isap 28 Pipa isap 29 Rumah keong

Gambar 1. irisan

perspektif suatu turbin francis; Eischer Wyss (Sumber: Fritz Dietzel, 1992)

2.2 Turbin Francis Turbin Francis merupakan turbin jenis reaksi yang bekerja karena tekanan pada roda turbin yang mengakibatkan roda turbin berputar dimana aliran air melalui rumah keong yang diarahkan dengan sudu pengarah menuju sudu jalan dari roda turbin. Daya yang dihasilkan oleh turbin dapat diatur dengan cara mengatur posisi sudu diam, sehingga aliran air yang menumbuk roda turbin dapat diatur. Prinsip kerja dari turbin francis ialah memanfaatkan energi jatuh air untuk memutar roda turbin. Roda turbin berputar dikarenakan cairan yang ada diantara sudu roda turbin memiliki energi mekanis, partikel cairan ini memiliki kecepatan keliling U dengan arah menyinggung lingkaran. Akibatnya, timbulah gaya sentrifugal. Dengan meningkatnya gaya sentrifugal membuat partikel cairan bergerak menuu pusat dari roda turbin dengan kecepatan relative W yang arahnya menyinggung permukaan sudu. Sedangkan kecepatan absolute C merupakan penjumlahan geometris dari U dan W.

1. Roda jalan 2. Cincin labirin 3.Cincin labirin kontra 4.Cincin jat arang 5.Pipa kuras

7.Blok bantalan 8.Bantalan penghantar 9.Saluran aliran kompensator 10. Bordes pelayanan 11.Poros turbin 12.Kopling 13.Poros hantar

2.3 Komponen Utam Turbin Francis a. Penstock Penstock atau yang biasa disebut dengan pipa isap berfungsi sebagai tempat mengalirnya air dari waduk penampungan menuju rumah turbin (spiral casing). Mengubah energi kecepatan air menjadi energi tekan. b. Rumah Turbin (spiral casing) Bagian ini terdiri dari pipa baja yang mengelilingi runner blade, semakin ujung semakin mengecil sehingga disebut rumah siput. Hal ini bertujuan agar aliran air menjadi lebih cepat guna mendorong roda turbin berputar, disisi lain tekanan air didalamnya menjadi berkurang. Posisi dari inlet spiral casing tergantung pada saluran langsung air dari penstock yang mungkin akan merubah keserasian penempatan. c. Sudu Pengarah (Guide Vane) Merupakan bagian dari turbin francis yang berfungsi sebagai pintu masuk air dari spiral casing menuju runner blade, selain itu guide vane juga berfungsi sebagai distributor agar air dikelilingi runner mempunyaidebit yang sama rata (uniform), serta sebagai pengaman turbin pada saat terjadi gangguan. d. Sudu Gerak (Guide Vane) Bagian ini disebut juga bilah rotor atau sudu gerak, pada runner blade energi kinetik (hidrolis) air yang dikenakan padanya diubah menjadi energi mekanik. e. Poros Utama Berfungsi mentransmisikan energi mekanik rotor kepada generator. Terbuat dari dua bagian utama yaitu bagian atas generator shaft yang dikopling dengan kopling tetap (mur dan baut). Pada bagian bawah berlapis yaitu inner shaft sehingga berfungsi sebagai penggerak runner blade dan main shaft. f. Bantalan Utama Berfungsi sebagai bantalan dari main shaft yang menahan goncangan bila turbin sedang beroperasi. Antara bagian bergerak dan ujungnya dilindungi oleh labirin seal liner. g. Draft Tube Bagian ini sebagai tempat mengalirnya air keluar dari runner dalam spiral casing menuju

17 Tuas 18 Batang penggerak 19 Cincin hantaran 20 roda penghantar 21 Tutup turbin

2

Perancangan Turbin Francis Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) “Studi Kasus Di Sungai Suku Bajo, Desa Lamaanabi, Kecamatan Tanjung Bunga, Kabupaten Flores Timur, NTT” saluran pembuangan (tail race). Fungsi utama dari draft tube adalah untuk mengurangi kecepatan air ayang dibuang untuk meminimalkan kehilangan energi kinetik di outlet. Draft tube berperan penting menaikkan tekanan air agar berada diatas tekanan uapnya guna menghindari timbulnya kavitasi.

2.4 Prinsip Kerja Turbin Francis Turbin francis bekerja denngan memakai proses tekanan lebih. Pada saat air masuk ke roda jalan, sebagian dari energi tinggi jatuh telah bekerja di dalam sudu pengarah diubah sebagai kecepatan arus masuk. Sisa energi tinggi jatuh dimanfaatkan/bekerja didalam sudu jalan, dengan adanya pipa isap memungkinkan energi tinggi jatuh bekerja di sudu jalan dengan semaksimum mungkin. Pada sisi sebelah keluar roda jalan terdapat tekanan kerendahan atau kurang dari 1 atmosfir dan kecepatan aliran air yang tinggi. Di dalam pipa isap kecepatan air akan berkurang dan tekanannya akan kembali naik, sehingga air bisa dialirkan keluar lewat saluran air bawah dengan tekanan seperti keadaan sekitarnya. Pipa isap pada turbin ini memiliki tugas yang mirip dengan sudu hantar yang terdapat pada pompa sentrifugal, turbin francis terdiri dari sudu pengarah dan sudu jalan, dan kedua sudu tersebut semuanya terendam di dalam aliran air. Air dialirkan kedalam sebuah cincin yang berbentuk spiral. Turbin yang dikelilingi dengan sudu pengarah semuanya terbenam di dalam air. Air yang masuk kedalam turbin bisa dialirkan melalui pengisian air dari atas atau melaui suatu rumah yang berbentuk spiral. Roda jalan semuanya selalu bekerja. Daya yang dihasilkan turbin bisa diatur dengan cara mengubah posisi pembukaan sudu pengarah, dengan demikian kapasitas air yang masuk kedalam roda turbin bisa diperbesar atau diperkecil. Turbin francis dilaksanakan dengan posisi vertikal atau horisontal.

Gambar 2 Pipa Pesat (penstock) (Sumber: PUSHARLIS UWP VI SBY, 2013) Dengan adanya losses yang disebabkan adanya gesekan antara dinding pipa dengan aliran air menyebabkan berkurangnya Head terhadap aliran, adapun persamaan untuk menghitung head loss mayor adalah : hl = f

L V2 D 2 g

[5]

(2)

dan persamaan untuk menghitung head loss minor akibat bentuk dari fitting perpipaan : hlm= k

V2 2. g

[5]

(3)

dimana head loss minor di instalasi terjadi pada enterance, pipe bends, enlargement dan gate valve dengan nilai dari masing – masing losses coefficiengt dapat dilihat pada tabel 1 berikut ini : Tabel 1 Harga Losses Coefficient untuk Fitting perpipaan pada Instalasi

2.5 Head Loss Pada Pipa Pesat Pipa pesat / penstok merupakan saluran air yang berfungsi menghubungkan bak penampung pada ketinggian tertentu dengan rumah turbin. Dibuatnya pipa pesat bertujuan agar membuat aliran air tidak banyak terbuang ke sekitar. Namun didalam pipa pesat juga terdapat beberapa losses yang mengakibatkan berkurangnya energi dari air itu sendiri, losses ini disebabkan karena adanya gesekan antara dinding pipa dengan aliran air ataupun karena bentuk dari fitting perpipaan yang dipakai pada penstock. Contoh pemasangan dari penstok dapat dilihat pada gambar 2 berikut :

Fitting Perpipaan

Harga Losses Coeffocient atau Karakteristik Fitting Perpipaan

Sudden Contraction Enterance (squareedged)

K = 0,21 K = 0,5

Pipe bends

30o, f = 0,130

Gate valve opening) Enlargement

(full

45o, f = 0,235 K= 0,15 K = 0,15

2.6 Pemilihan Jenis Turbin Pemilihan jenis turbin dapat ditentukan berdasarkan kelebihan dan kekurangan dari jenisjenis turbin, khususnya untuk suatu desain yang sangat spesifik. Pada tahap awal, pemilihan jenis turbin dapat diperhitungkan dengan mempertimbangkan parameter-parameter khusus yang mempengaruhi sistem operasi turbin, yaitu : -Faktor tinggi jatuhan air efektif (Net Head) dan debit yang akan dimanfaatkan untuk operasi

3


turbin merupakan faktor utama yang mempengaruhi pemilihan jenis turbin, sebagai contoh : turbin pelton efektif untuk operasi pada head tinggi, sementara turbin propeller sangat efektif beroperasi pada head rendah. - Faktor daya (power) yang diinginkan berkaitan dengan head dan debit yang tersedia. -Kecepatan (putaran) turbin ang akan ditransmisikan ke generator. Sebagai contoh untuk sistem transmisi direct couple antara generator dengan turbin pada head rendah, sebuah turbin reaksi (francis) dapat mencapai putaran yang diinginkan, sementara turbin pelton dan crossflow berputar sangat lambat (low speed) yang akan menyebabkan sistem tidak beroperasi.

Dengan mengetahui putaran spesifik turbin maka perencanaan dan pemilihan jenis turbin dapat dilakukan. Selanjutnya head dan debit digunaka pula sebagai parameter dalam pemilihan jenis turbin dengan ilustrasi sebagai berikut:

Ketiga faktor di atas seringkali diekspresikan sebagai "kecepatan spesifik, Ns”, yang didefinisikan dengan formula:

Ns =

√

[3]

(4)

⁄

Gambar 3 Macam jenis turbin menurut head dan kapasitasnya Jika turbin akan direct couple terhadap generator maka proses iterasi akan dilakukan di putaran 3000 rpm, 1500 rpm, 1000 rpm, 750 rpm dan seterusnya (untuk generator dengan frekuensi 50 Hz), pada proses iterasi pertama dicoba dipilih putaran turbin sebesar 1500 rpm (4 pole, 50 Hz) karena generator ini mudah dicari dan banyak dipasaran.

dimana : Ns = Kecepatan spesifik turbin n = Putaran spesifik turbin N = Daya turbin (KW) H = Tinggi jatuh air / head (m) Putaran spesifik turbin memiliki kisaran (range) tertentu berdasarkan data eksperimen, kisaran putaran spesifik turbin air ditunjukkan pada tabel 2 berikut ini:

Tabel 3 Putaran Generator Sinkron (rpm) Jumlah Pole (kutub)

Tabel 2 Jenis Turbin Berdasarkan Putaran Spesifik Putaran Spesifik

4 s/d 35

Jenis Turbin

Pelton dengan 1 nozzle

17 s/d 50


24 s/d 70


80 s/d 120

Franciss kecepatan rendah

120 s/d 220

Franciss kecepatan normal

220 s/d 350

Franciss kecepatan tinggi

350 s/d 430

Franciss Ekspress

300 s/d 1000

Propeler dan Kaplan

(Sumber : Nechleba, Miroslav.1957.Hydraulic Turbine Their Design and Equipment. Czeckoslovakia: Artia Pragu)

Frekuensi , 50 Hz

2

3000

4

1500

6

1000

8

750

10

600

12

500

14

429

Gambar 4 Randemen beberapa konstruksi turbin air pada saat pembebanan sebagian. (sumber: Fritz Diesel.Pompa dan Kompressor.1992)

4


Dari gambar diatas terlihat untuk turbin francis pada 100% beban penuh memiliki efisiensi sebesar 84%.

MULAI

Studi literatur

III. METODOLOGI PENELITIAN

Dalam merancang turbin francis pembangkit listrik tenaga air (PLTMH) utamanya didasarkan pada besar tinggi jatuh air (head) dan kapasitas desain aliran air untuk selanjutnya dari study lapangan dan study literatur diperoleh data yang digunakan dalam menghitung berbagai parameter perhitungan. Setelah langkah – langkah diatas dilakukan maka dapat diambil beberapa parameter yang dapat dijadikan pertimbangan dasar dalam pelaksanaan perancangan Turbin Francis Mikrohidro. Beberapa parameter yang diambil diantaranya :    

Mengecek data turbin yang digunakan

Penentuan jenis turbin

tidak Perhitungan putaran spesifik ya

Perencanaan dan perancangan turbin: · Perancangan runner (roda turbin) · Perancangan guide vane (sudu diam) · Perancangan draft tube · Perancangan pasak · Pemilihan bantalan

Kapasitas turbin Tinggi jatuh air Instalasi turbin dalam perpipaan Putaran generator yang digerakkan turbin

Langkah – langkah proses perancangan Turbin Francis Mikrohidro adalah sebagai berikut :       

Kesimpulan

Pemilihan jenis turbin Perancangan runner (roda turbin) Perancangan spiral casing (rumah turbin) Perancangan guide vane (sudu diam) Perancangan draft tube Perancangan poros turbin Perancangan pasak dan bearing

Selesai

Gambar 5 Flowchart penulisan tugas akhir

IV. PERHITUNGAN 4.1 Data Input Perancangan

Data awal yang dipakai sebagai parameter dalam perancangan Turbin Francis ini diantaranya sebagai berikut :

Langkah dalam penulisan Tugas Akhir ini dapat digambarkan dalam diagram alir (flow chart) berikut :

·

· · ·

Pipa pesat dengan spesifikasi:  Material : Thermoplastic PVC (Polyvinyl Chloride) pipes Schedule 80  Panjang : 200 m  Diameter :  Diameter pipa : 300 mm (D1) Debit Desain Q = 0.15 m3/s Total Head = 50 m Fluida Kerja air tawar, dengan properties : = 998 kg/m3

= 1,01 x 10-3 N.s /m2 Asumsi yang digunakan  Incompressible flow  Steady Flow 4.2 Perhitungan Head Netto

5


= 67024,94 W = 67,02494 KW

Setelah dilakukan perhitungan secara manual dan numerik didapat hasil perhitungan sebagai berikut: Sebagai langkah pertama dilakukan perhitungan head netto setelah terlebih dahulu dilakukan perhitungan harga (V2 dengan menggunakan persamaan Colebrook, sebagai berikut :

̅̅̅

[

Dengan: ̅

]

)

(

·

4.3 Perhitungan Kecepatan Spesifik Berdasarkan Laju Aliran Dengan fiketahuinya putaran turbin (n), laju aliran air (Q) dan head turbin (H) yang akan dirancang melalui persamaan berikut :

= kecepataan aliran air di titik 2

g

Perhitungan daya turbin N= g Q t = 998 kg/m3 9.81 m/s2 0.15 m3/det =56300,95 W = 56,30095 KW = 75,44 Metrik HP

= percepatan gravitasi bumi

Z1-Z2 = head (50 m)

nq =

= perbandingan panjang pipa dan diameter

2g

h 50 50 50 50 50 50 50 50

Asumsi f 0,00851 0,00852 0,00853 0,00854 0,00855 0,00856 0,00857 0,00858

L/D+8 674,66 674,66 674,66 674,66 674,66 674,66 674,66 674,66

1

Column1 V2 12,66345327 12,32871644 12,56164464 12,32871644 12,45063533 12,32871644 12,41484633 12,32871644 12,35241465 12,32871644 12,32871644 12,32871644 12,31780113 12,32871644 12,30165554 12,32871644

1 1 1 1 1 1 1 1

Selisih -0,33482683 -0,25446565 -0,17345465 -0,12645665 -0,03536466 0 0,0145454 0,0270609

+

+

Q = Laju aliran (m/det) H = Tinggi jatuh air / head (m) 4.4 Nilai Putaran Spesifik Turbin Dengan fiketahuinya putaran turbin (n), daya turbin (N) dan head turbin (H) yang akan dirancang melalui persamaan berikut :

–∑ -

Ns =

-∑

dimana :

√ ⁄

Ns =

 P1 = P2 = Patm  V1 = V2 0 m/s2 sehingga didapatkan : H = Z1 – Z2 - ∑ H= = 50 m – 4,35896 m = 45,64 m

⁄ ⁄

nq = Kecepatan spesifik berdasarkan laju aliran n = Kecepatan putar turbin yang direncanakan

Maka nilai head netto turbin yang didapatkan berdasarkan instalasi diatas adalah sebagai berikut :

=

√

nq = 31,99 rpm = 32 rpm

dimana :

Gambar 5. Iterasi V2

– H=

⁄

nq =

ITERASI V2

19,62 19,62 19,62 19,62 19,62 19,62 19,62 19,62

√

dimana :

√ ⁄

Ns = 91.716 rpm = 92 rpm Ns = Kecepatan spesifik turbin n = Putaran spesifik turbin N = Daya turbin (KW) H = Tinggi jatuh air / head (m)

)

Hasil dari perhitungan – perhitungan diatas didpatkan:

1. Perhitungan daya yang dihasilkan oleh turbin: · Perhitungan Potensial Daya P= 3

= 998 kg/m 0.15 m3/det

2

m/s

Tabel 4 Hasil Perhitungan Pemilihan Roda Turbin

45,64

Perhitungan

Nilai

Netto Turbine Head (H) Daya Turbin (N)

47,75 m 58,90382 KW 79,04 Metrik HP 32 rpm

Kecepatan Spesifik

6

Perancangan Turbin Francis Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) “Studi Kasus Di Sungai Suku Bajo, Desa Lamaanabi, Kecamatan Tanjung Bunga, Kabupaten Flores Timur, NTT” Berdasarkan laju aliran Putaran Spesifik Turbin

Ds = D2a : diameter keluaran roda turbin D1i : diameter masukan roda turbin

92 rpm

4.5 Perhitungan Diameter Poros (Dsh) Perhitungan diameter poros (Dsh) didasarkan pada daya yang ditransmisikan (N) oleh turbin, putaran turbin (n), dan tegangan puntir poros maksimum yang diijinkan . Dengan daya (N) sebesar 77,44 Hp, putaran turbin (n) 1500 rpm, dan menggunakan bahan ASTM A356 sebagai material poros karena ASTM A356 yang memiliki tegangan puntir = 500 kP/cm2. Diameter poros dapat ditentukan dengan persamaan:

4.7 Diameter Rim Pada Sisi Keluar (D2a) Setelah diketahui kecepatan aksial air keluar runner C2m sebesar 5,774 m/s maka diameter rim runner pada sisi keluar (outlet), dihitung dari persamaan berikut : D2a = √

=√ = 0,1807 m

Dsh = √

4.8 Diameter Hub Runner (D1i) Setelah diketahui besar kecepatan tangensial sudu gerak pada sisi masuk yaitu sebesar 21,297 m/s maka Diameter hub runner pada sisi masuk (inlet), D1i , dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:

Dsh = √ = 8,768 cm = 88 mm

dengan mempertimbangkan faktor radial thrust dan berat dari roda turbin yang nantinya akan dirancang maka diambil angka aman untuk diameter poros sebesar 100 mm.

D1i =

4.6 Diameter keluaran roda turbin (Ds) Dengan Ns = 92 rpm maka dapat dilihat dari sebesar 0,25 dimana yang digunakan adalah untuk tingkat keamanan yang lebih baik. Maka melalui perhitungan berikut didapatkan nilai dari parameter keluaran roda turbin. Ds = √

dimana

D1i = D1i = 0,2712 m 4.9 Diameter Rim Pada Sisi Masuk (D1a) Dengan menggunakan erbandingan harga diameter rim runner pada sisi keluar (D2a) dan sisi masuk (D1a) ditentukan dari hubungan yang diberikan Hutte maka diameter rim pada sisi masuk (D1a) dihitung dari hubungan diatas adalah:

√

adalah unit flowrate

D1a = Ds = √

⁄

=

√

= 0,1754 m

Ds = 0,3217 m

4.10 Diameter Keluar Runner D2i = = = 0,145 m 4.11 Menentukan Jumlah Sudu Mengacu pada buku mekanika fluida, termodinamika Mesin Turbo (S.L.Dixon) halaman 291, persamaan untuk menentukan banyaknya sudu dalam turbin adalah :

Gambar 6 Diameter Keluaran (Ds)

Keterangan:

7


 min  2    tan 2

Zmin = Zmin = Zmin =

(9 buah)

penempatan sudu pada runner :

4.12 Lebar Roda Turbin Dimana untuk putaran spesifik Ns = 91 rpm didapat dari perbandingan B/D1 = 0,135. Maka dapat dihitung nilai dari lebar roda turbin.

Gambar 7 Runner Hasil Perancangan 4.13 Perhitungan Volume dan Berat Poros Perhitungan volume dan berat poros yang dilakukan ini berdasarkan perkiraan awal perancangan roda turbin, dimana poros memiliki diameter (Dsh) sebesar 100 mm dan panjang keseluruhan poros yang dirancang adalah 1400 mm. Material yang dipilih dalam perencanaan poros ini adalah JIS G 4103 (SNCM) yang memiliki densitas (ρ sebesar 7,85 gram/cc. Maka berat dari poros turbin yang dirncang adalah :

Diketahui: >1 Ds =D1A > Ds sehingga diketahui inlet central streamline D1A = 310 mm yang membantu dalam proses menentukan kelengkungan sudu roda turbin serta sebagai acuan dalam perancangan guide vane.

wsh = Volumesh wsh=(

B = B / D1

D1

(

B = 0,135

310 mm

) wsh = 846,8 N

= 41,85 mm = 0,04185 m Tabel 5 Perhitungan Roda Turbin No 1 2 3 4 5 6

Perhitungan Diameter tip masuk (D1a) Diameter hub masuk (D1i) Diameter hub keluar (D2i) Diameter tip keluar (D2a) Lebar Roda Turbin

Jumlah Sudu

Satuan M

0,1754

M

0,2712

M

0,145

M

0,1807

M

0,04185

M

9

sh

g )

4.14 Torsi Torsi yang diakibatkan oleh daya yang ditransmisikan dari energi hidrolik ke energi mekanik dari roda turbin dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :

Nilai

Torque = Torque = Torque = = 375 Nm 4.15 Hydraulic Trust Putaran dari roda turbin, selain menimbulkan torsi juga menyebabkan timbulnya gaya thrust yang umumnya disebut sebagai hydraulic thrust. Besarnya hydraulic thrust dapat dihitung dengan menggunakan persamaan empirik berikut:

Material GX5 Cr Ni

8

Perancangan Turbin Francis Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) “Studi Kasus Di Sungai Suku Bajo, Desa Lamaanabi, Kecamatan Tanjung Bunga, Kabupaten Flores Timur, NTT” T=

h.

T = 3754,3 N

i.

4.14 Perancangan Spiral Casing (Rumah Turbin)

= 673,3 mm = 674 mm I = (0,1 + 0,00065. Ns) Ds I = (0,1 + 0,00065. 92) 330 I = 52,52 mm = 53 mm Nilai L Perhitungan =

j.

Berat Poros (wsh)

846,8 N

Torsi (Torque)

375 Nm

( 0 Hydraulic Thrust (T) 3754,3 N , 526,7 N 8 Gaya Radial (Fr) 8 + 0,00049.Ns) Ds L = (0,88 + 0,00049.92) 330 L = 305,1 mm = 306 mm M = (0,6 + 0,000015.Ns) Ds M = (0,6 + 0,000015.92) 330 M = 198,5 mm = 199 mm

4.15 Perancangan Draft Tube Gambar 8 Dimensi Utama Rumah Turbin

Francis (Sumber: Warnick, C.C. 1984) Dari data yang ada maka perhitungan dimensi rumah turbin sesuai dengan gambar dapat dihitung menggunakan persamaan – persamaan sebagai berikut ini : a.

A=(

b.

A=( ) 330 mm A = 325,3 mm = 326 mm B=( ) Ds

c.

B=( ) 330 mm B = 561,7 mm = 562 mm C=( ) Ds

d.

C=( ) 330 mm C = 614,2 mm = 615 mm D=( ) Ds

e.

D=( D = 672 mm E=(

f.

E=( )330 E = 554 mm F=( ) Ds

g.

F=( )330 mm F = 806,5 mm = 807 mm G=( ) Ds G=(

) Ds

Gambar 9 Dimensi Utama dari Draft Tube

Turbin Francis (Sumber: Warnick, C.C., 1984) Pada perancangan rumah turbin digunakan metode empirik (deSiervo dan deLeva 1976), dimana telah dikerahui nilai dari diameter keluaran turbin (Ds) = 0,358 m dan untuk nilai putaran spesifik (Ns) sama halnya dengan putaran spesifik pada perancangan rumah turbin yaitu Ns = 93. Dari data yang ada maka perhitungan dimensi draft tube sesuai gambar 8 dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan berikut :

) 330 mm ) Ds

a.

N=(

) Ds ) 330 mm

b.

N=( N = 1245 mm O=(

) Ds

O=( ) 330 mm O = 784,1 mm = 785 mm

)330 mm

9


d.

P = (1,37 – 0,00056.Ns) Ds P = (1,37 – 0,00056.92) 330 mm P = 435,3 mm = 436 mm Q=( ) Ds

e.

Q=( ) 330 mm Q = 273,4 mm = 274 mm R=( ) Ds

f.

R=( ) 330 mm R = 528 mm = 528 mm S=( )Ds

c.

S=(

i.

j.

V=( ) 330 mm V = 557,7 mm = 558 mm Z=( ) Ds

h.

Maka umur bearing dapat bertahan selama jam

4.17 Gambar Instalasi Hasil Perancangan

)330 mm

S = 2229,9 mm = 2230 mm T = (1,5 + 0,00019.NS) DS T = (1,5 + 0,00019 92) 330 mm T = 500,7 mm = 501 mm U = (0,51 – 0,0007.Ns) Ds U = (0,51 – 0,0007 92) 330 U = 147,3 mm = 148 mm V=( )Ds

g.

8,796

V. KESIMPULAN

Dari serangkaian perhitungan yang telah dilakukan sebelumnya, diambil kesimpulan: A. Kondisi Operasi. 1. Pipa pesat dengan spesifikasi Material = Thermoplastic PVC (Polyvinyl Chloride) pipes Schedule 80 Panjang = 200m Diameter = 300 mm (D1) 2. Q = 0,15 m3/s 3. Ketinggian jatuh (Gross head) = 48,37 m 4. Efisiensi Turbin 0,84 5. Putaran turbin n = 1500 rpm 6. Properties fluida kerja air tawar kg/m3 -3 1,01

Z=( )330 mm Z = 990,5 mm = 991 mm 4.16 Pemilihan Bantala Dengan mempertimbangkan besarnya gaya aksial yang disebabkan gaya thrust serta berat dari roda turbin dan poros serta adanya gaya tangensial yang disebabkan oleh torsi, maka dipilih Spherical Roller Thrust Bearing yang mampu mengatasi gaya aksial dan radial. Pemilihan tipe bearing ini menggunakan standard ISO untuk bearing (SKF standard) yang berdasarkan diameter poros yang digunakan, yaitu 120 mm, dengan kata data: d (diameter dalam)

= 100 mm

D (diameter luar)

= 170 mm

H (tebal)

= 42 mm

C (konstanta dynamic load)

= 465 KN

Co (konstanta static load)

= 1290

A (minimum load factor)

= 0,16

B. Kontruksi a) Roda Turbin (Runner) 1. Diameter poros (Dsh) = 100 mm 2. Diameter hub (Dh) =271,2 mm 3. Diameter Keluaran runner (Ds) = 330 mm 4. Diameter rim pada sisi keluar (D2a) = 180,7 mm 5. Diameter rim pada sisi masuk (D1a) = 175,4 mm 6. Diameter hub runner pada sisi keluar (D2i) = 145 mm 7. Lebar roda turbin = 41,85 mm 8. Jumlah sudu turbin (Z) = 9 buah b) Rumah Turbin (Spiral Casing) A = 326 mm F = 807 mm

⁄

(

)

10


B = 562 mm G = 674 mm C = 615 mm I = 53 mm D = 672 mm L = 306 mm E = 554 mm M = 199 mm c) Sudu Diam (Guide Vane) 1. Jumlah guide blades (Z1) = 10 buah 2. Outlate blade angle ( ) = 18,2o 3. Diameter range peletakan guide vane (D0) = 423,3 mm d) Draft tube N = 1245 mm S= 2230 mm O = 785 mm T = 501 mm P = 436 mm U = 148 mm Q = 274 mm V = 558 mm R = 528 mm Z = 991 mm e) Poros 1. Panjang = 100 cm 2. Diameter (Dsh) = 10 cm f) Pasak 1. Panjang (L) = 6 cm 2. Lebar (W) = 1 inch = 2,54 cm (Dari Tabel) 3. Tinggi (H) = 1 inch = 2,54 cm (Dari Tabel) 4. Tipe Square key g) Bantalan (Bearing) 1. d (diameter dalam) = 100 mm 2. D (diameter luar) = 170 mm 3. H (tebal) = 42 mm 4. C (konstanta dynamic load) = 465 kN 5. C0 (konstanta static load) = 1290 kN 6. A (minimum load factor) = 0,16 7. Tipe Bantalan = Spherical Roller Thrust Bearing 8. 9.

DAFTAR PUSTAKA 1.

Aris Munandar, Wiranto.1996. Penggerak Mula Turbin.Bandung

2.

Deutshman, Aaron D., Michels, Walter J. And Wison, Charles E.1975.Machine Design Theori and Practice.

3.

Dietzel, Fritz. 1996. Turbine, Pompa dan Kompressor. Jakarta: Erlangga.

4.

Creager, Wiliam P. and Justin, Joel D. 1590.Hydroelectric Handbook 2nd.ed.John Willey and Sons.

5.

Fox, Robert W and McDonalds, Alan T.1998/Introduction to Fluid Mechanics, 8th.ed. John Willey and Sons.

6.

Kjolle, A.1980. Water Power Machines (In Norwegian). Norway: Universitets Forlaget, Oslo

7.

Lazarkiewicz S, Troskolansi A.T. 1957. Impeller Pump, 2nd.ed London: John Wiley and Sons.

8.

Nechleba, Turbine

Miroslav.1957.Hydraulic Their

Design

and

Equipment.Czeckoslovakia:Artia Pragu. 9.

Patty, OF. 1995. Tenaga Air. Surabaya: Erlangga.

10. Pujanarsa, A., Nursuhud, D. 2006. Mesin Konversi Energi. Surabaya: Andi. 11. Sharma,

K.N.

And

M.M.Dandekar.1991.Pembangkit

Listrik

Tenaga Air.Jakarta:Universitas Indonesia (UI Press).

Minimum Load = 30,4 kN Umur Bantalan = 8,796 106 jam

12. SKF General Catalogue. 2003. 13. Warnick,

C.C.

Hydropower

Engineering.1984.New Jersey: Prentice Hall Inc, Englewood Cliffs.

Performance:

14. Prayatmo, Wibowo. Turbin Air. 2007.

1. Netto turbine head (H) = 48,37 m 2. N (daya turbin) = 59670 W 3. Putaran Spesifik = 91 rpm

Jakarta.Graha Ilmu. 15. Suhariyanto, 2002. Diktat Elemen Mesin I. Surabaya : Program Studi D3 Teknik Mesin ITS

11


16. Suhariyanto, Hadi, Syamsul. 2002. Diktat

Klisasat – Jampit PTPN XII. Surabaya:

Elemen Mesin II. Surabaya : Program

Teknik Mesin FTI – ITS.

Studi D3 Teknik Mesin ITS

20. Suharianto, Hadi Syamsul 2011.Diktat Elemen Mesin I.Surabaya:Progam Studi

17. Purwanto, Nanda, Dwi. 2013. On Job Training

PT.

PLN

(PERSERO)

DIII Teknik Mesin ITS.

PUSHARLIS UWP VI Surabaya. DIII

21. Suharianto, Hadi Syamsul 2011.Diktat Elemen Mesin II.Surabaya:Progam Studi

Teknik Mesin FTI – ITS. 18. Rosyadi, Turbin

Aulia. Francis

2012.

Perancangan Listrik

22. www.engineeringtoolbox.com.2014.Engin

Tenaga Mikrohidro (2x1 MW), Studi

e Transmission (http://www.engineering

Kasusus di Sungai Wolowuna, Desa

toolbox.com): 24 Mei 2014

Tiwutewa,

Pembangkit

DIII Teknik Mesin ITS.

Kecamatan

Ndungga,

23. www.pipingdesign.com.2014.

Standard

Kabupaten Ende, Pulau Flores, NTT.

Dimensions and Weight of PVC –

Surabaya: Teknik Mesin FTI – ITS.

Polyvinyl Chloride – and CPVC –

19. Wisuda, Yahya NA. 2008.Perancangan

Chlorinated Polyninyl Chloride – Pipes

Turbin Francis Bertitik Berat Pada Roda

According

Turbin, Studi Kasus Pada MHP 1 UUS

www.pipingdesign.com/PVC): 2014

12

ASTM.

(http:// 25

Mei

ABSTRAK. Kata kunci : mikrohidro power, head, debit, roda turbin, sudu diam, rumah turbin, draft tube

Recommend Documents