BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 TURBIN AIR Turbin air termasuk dalam kelompok mesin-mesin fluida yaitu, mesin-mesin yang berfungsi untuk merubah energi fluida (energi potensial dan energi kinetis air) menjadi energi mekanis atau sebaliknya. Mesin ini berfungsi untuk merubah energi fluida menjadi energi mekanis pada poros. misalnya : turbin air, turbin uap, turbin gas, kincir air, kincir angin dan lainnya. Pompa, kompresor, blower, fan dan lain-lain berfungsi untuk mengubah energi mekanis pada poros menjadi energi fluida (energi potensial dan energi kinetis). (Sihombing, Edis. 2009) Menurut Sejarahnya turbin-turbin air yang sekarang berasal dari kincir-kincir air pada zaman abad pertengahan yang dipakai untuk memecah batubara dan pabrik gandum. Salah satu kincir air tersebut dapat dilihat di Aungrabad, India yang telah berumur 400-an tahun. (Susatyo, Anjar. 2006) Walaupun banyak terdapan desain turbin hidrolik dengan masing-masing keistimewaannya, secara umum hampir semua turbin dapat diklasifikasikan dalam dua tipe dasar-turbin impuls dan turbin reaksi. Secara umum turbin impuls merupakan mesin dengan head yang tinggi, dan laju aliran yang rendah, sedangkan turbin reaksi merupakan mesin dengan head yang rendah dan laju aliran yang tinggi. (Munson, Bruce. 2005)
2.1.1 KLASIFIKASI TURBIN AIR Turbin air dapat dikelompokkan dengan berbagai cara. Jenis turbin dapat digolongkan menjadi tiga sesuai dengan range dari head-nya, yaitu :
Turbin dengan head rendah.
Turbin dengan head medium.
Turbin dengan head tinggi.
Sedangkan menurut cara kerjanya, maka terdapat dua jenis turbin yaitu :
1. Turbin Impuls (aksi). 2. Turbin Reaksi.
1. Turbin Impuls (aksi). Turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya dengan merubah seluruh energi air (yang teridiri dari energi potensial-tekanan-kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Atau dengan kata lain, energi potensial air diubah menjadi energi kinetik. Contoh turbin impuls adalah turbin Pelton dan turbin Cross Flow. (Luknanto, Joko, 2007) 1) Turbin Cross Flow
Gam bar 2.1 Turbin Cross Flow (Sumber : http://anakranto.wordpress.com/2010/07/21/pembangkit-listriktenaga-mikro-hidro/)
Salah satu jenis turbin impuls ini juga disebut Turbin Michell-Banki yang merupakan penemunya. Turbin ini dapat dioperasikan pada debit 10 liter/sec–20 liter/sec dan heah antara 1-200 m. Turbin Cross Flow mengunakan nosel persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Runner turbin terbuat dari
beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel. (Sihombing, Edis. 2009)
2) Turbin Pelton
Gambar 2.2 Turbin Pelton (Sumber : Dokumentasi) Turbin Pelton merupakan salah satu jenis turbin impuls. Lester Pelton (182919080 sebagai penemu turbin Pelton adalah seorang ahli teknik pertambangan Amerika yang hidup pada masa eksploitasi emas di California. Efisiensi yang diperoleh oleh turbin Pelton akan lebih tinggi jika turbin dioperasikan pada head yang lebih tinggi yang akan diubah menjadi suatu kecepatan relative yang tinggi pada sisi keluar nosel. (Munson, Bruce. 2005.)
2. Turbin Reaksi Turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir dalam bentuk putaran. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Turbin ini terdiri dari sudu pengarah dan sudu jalan dan kedua sudu tersebut semuanya terendam di dalam air. Air dialirkan ke dalam sebuah terusan atau dilewatkan ke dalam sebuah cincin yang berbentuk spiral (rumah keong).
Perubahan energi seluruhnya terjadi di dalam sudu gerak. Contoh turbin reaksi adalah turbin Francis dan turbin Propeler (Kaplan). (Luknanto, Joko, 2007)
1) Turbin Francis Turbin Francis merupakan slah satu turbin reaksi. Turbin ini dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian keluar. Turbin Francis mempunyai sudu pengarah air masuk secara tangensial. Sudu pengarah ini dapat berupa sudut pengarah yang tetap maupun yang dapat diatur sudutnya. (Sihombing, Edis. 2009)
Gambar 2.3 Turbin Francis (Suber : http://hydropowerplantsttpln.blogspot.com/2012/02/pelatihan-dibandung.html/) 2) Turbin Propeler (Kaplan) Turbin Kaplan (Propeler) adalah salah satu turbin reaksi aliran aksial. Turbin ini tersusun seperti propeller pada perahu. Propeller tersebut biasanya mempunyai tiga hingga enam sudu. . (Sihombing, Edis. 2009)
Gambar 2.4 Turbin Propeler (Suber : http://hydropowerplantsttpln.blogspot.com/2012/02/pelatihan-dibandung.html/)
2.1.2 Perbandingan Karakteristik Turbin Air Kecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan sebagai kecepatan ideal, persamaan geometris turbin, yang menghasilkan satu satuan daya tiap satu satuan head. Perhitungan tepat ini menghasilkan performa turbin dalam jangkauan head dan debit tertentu. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air adalah sebagai berikut: Tabel 2.1 Kecepatan Spesifik Turbin
(sumber: www.scribd.com/doc/32235908/Prinsip-Kerja-Dan-Macam-MacamTurbin)
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.
Gambar 2.5 Daerah penggunaan dari beberapa jenis konstruksi turbin yang berbeda. (sumber : http:// Europa.eu.int./en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf)
2.1.3. Head Turbin Head turbin dapat juga disebut sebagai tinggi jatuh air dan sering dinotasikan sebagai H. Head turbin dapat ditentukan berdasarkan persamaan Bernoulli. Menurut persamaan Bernoulli besar energi aliran adalah :
(Nm)
dimana notasi : m = massa g = kecepatan gravitasi bumi z = selisih ketinggian (tinggi air atas – tinggi air bawah) P = tekanan v = kecepatan Jika pada aliran tersebut m = 1 kg, maka energi spesifiknya : (
)
Bila energi spesifik tersebut dibagi dengan gravitasi maka ketinggian : (m) dimana :
z
adalah ketinggian dari suatu tempat yang dipakai sebagai standar (Head Potensial) adalah Head Tekan
adalah Head Kecepatan (sumber : Situmorang, Parade. 2008. Sistem Perpipaan Perancangan Distribusi Aliran Pada Setiap Pipa Air Bersih. Medan: USU) Hal ini sesuai dengan Bunyi Persamaan Bernoulli : “ Pada tiap saat dan tiap posisi yang ditinjau dari suatu aliran di dalam pipa tanpa gesekan yang tidak bergerak, akan mempunyai jumlah energi ketinggian tempat, tekanan dan kecepatan yang sama besarnya”
Gambar 2.6 Diagram Bernoulli Untuk Turbin Air. (sumber: Husain, Zoeb. 2008. Basic Fluid Mechanic and Hidraulyc Machines. Hyderabad: BS Publications) Persamaan momentum untuk pipa yang dialiri fluida, dimana sifat fluida konstan sebagai berikut:
(sumber : Husain, Zoeb. 2008. Basic Fluid Mechanic and Hidraulyc Machines. Hyderabad: BS Publications)
Persamaan kontinuitas : Q=V×A Keterangan: Q = debit aliran (m3/detik) V = kecepatan aliran (m/s) A = luas penampang pipa (m2)
Head losses yang terjadi pada saluran pipa: 1. Mayor Loses yang terjadi akibat gesekan aliran dalam satuan pipa
2.
Minor Loses yang terjadi akibat adanya perlengkapan (equipment) pipa, seperti belokan (elbow), valve, saringan dan peralatan lainnya.
(sumber : Situmorang, Parade. 2008. Sistem Perpipaan Perancangan Distribusi Aliran Pada Setiap Pipa Air Bersih. Medan: USU)
2.2 TURBIN PELTON Pemilihan jenis turbin umumnya didasarkan pada besarnya kecepatan spesifik dari kondisi kerjanya. Kecepatan spesifik adalah kecepatan turbin model (turbin dengan bentuk sama tetapi skalanya berlainan). Kecepatan spesifik dipakai sebagai tanda batasan untuk membedakan tipe roda turbin dan dipakai sebagai suatu besaran yang penting dalam merencanakan turbin air. Persamaan kecepatan spesifik dinyatakan sebagai :
dimana : n
= Kecepatan turbin pada efisiensi maksimum, (rpm)
P
= Daya Turbin, (kW)
Ns
= Putaran spesifik, (rpm)
H
= Tinggi air jatuh, (meter)
(sumber : www.scribd.com/doc/32235908/Prinsip-Kerja-Dan-Macam-MacamTurbin)
2.2.1 Pengenalan Turbin Pelton Turbin Pelton termasuk dalam kelompok jenis turbin Impuls. Karakteristik umumnya adalah pemasukan sebagian aliran air ke dalam runner pada tekanan atmosfir. Pada turbin Pelton puntiran terjadi akibat pembelokan pancaran air pada mangkok ganda runner. Oleh karena itu maka turbin Pelton juga disebut Turbin Pancaran Bebas. Penyempurnaan terbesar yang dilakukan Pelton (sebagai penemu turbin) yakni dengan menerapkan mangkok ganda simetris. Bentuk ini pada
dasarnya masih tetap berlaku. Punggung pembelah membagi jet menjadi dua paruh yang sama, yang dibelokkan menyamping. Pada dasarnya turbin terdiri atas bagian – bagian : Runner, Nosel dan Rumah Turbin. (Sihombing, Edis. 2009) a. Runner Runner turbin Pelton terdiri atas cakra dan sejumlah sudu yang terpasang disekelilingnya. Cakra dipasang ke poros dengan sambungan pasak. Runner kebanyakan merupakan coran tunggal dari baja dengan kandungan 13% Cr. Runner Pelton terbesar memiliki garis tengah lebih dari 5 meter dan berat lebih dari 40 Ton. Selain itu ada pula runner yang antara cakra dengan sudunya terpisah, dimana pemasangan mangkok ke cakra runner ada bermacam macam cara.
Gambar 2.7 Runner Turbin Pelton (sumber : Dokumentasi)
b. Sudu (Bucket) Pembuatan sudu dari belahan pipa atau konstruksi las dengan bahan plat baja sama sekali tidak dianjurkan, karena kekokohannya kurang dan efisiensinya
rendah. Sudu bisa dibuat dari beragam bahan. Demikian pula halnya bila runner dicor sebagai satu kesatuan. Selain bahan dari baja tuang yang mengandung unsur Cr 13% dipakai juga bahan dan cara lain, termasuk besi tuang atau paduan seperti kuningan atau almunium atau pencetakan injeksi plastik diperkuat dengan serat gelas.
a) Setengah Silinder
b) Mangkuk
Gambar 2.8 Sudu (Bucket) (sumber : Dokumentasi) c. 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.
Gambar 2.9 Nosel (sumber : Dokumentasi) d. Rumah Turbin Rumah turbin pelton selain sebagai tempat nosel terpasang, juga berfungsi menangkap dan membelokkan percikan aliran air ke luar sudu hingga runner maupun pancaran tidak terganggu. Rumah turbin dapat dibuat sederhana dengan konstruksi las dari plat baja.
Gambar 2.10 Rumah Turbin Pelton (sumber : Dokumentasi)
2.2.2
Karakteristik Grafik Turbin Pelton Adapun karateristik grafik turbin pelton dibagi dalam 2 jenis yaitu:
1. Karakteristik Grafik Turbin Untuk Head Tetap a. Grafik Rasio Kecepatan vs Efisiensi Maksimal (φ vs ɳ) Pada grafik 2.12 ini dijelaskan bahwa pada nilai efisiensi maksimal terdapat pada Φ = 0,46, setelahnya mengalami penurunan nilai efisiensi.
Gambar 2.11 Grafik Rasio Kecepatan vs Efisiensi (φ vs ɳ) (sumber : Khurmi, R.E. 1984. A Text Book Of Hydraulic Machine. Ram Nagar, Newdelhi: S. Chand and Company LTD)
Maka :
(Luknanto, Joko, 2007)
Dimana : N = Putaran Turbin (rpm) D = Diameter Turbin (m) H = Head Efektif (m)
b. Grafik Daya Turbin vs Efisiensi (P vs ɳ) Pada gambar grafik 2.13 dijelaskan bahwa semakin tinggi efisiensi semakin tinggi juga daya yang dihasilkan.
Gambar 2.12 Grafik Daya Turbin vs Efisiensi (P vs ɳ) (sumber : Khurmi, R.E. 1984. A Text Book Of Hydraulic Machine. Ram Nagar, Newdelhi: S. Chand and Company LTD) 2. Karakteristis Grafik Turbin Untuk Variasi Bukaan Katup a. Grafik Kecepatan Turbin vs Daya Turbin (rpm vs P) Pada gambar grafik 2.14 dijelaskan bahwa daya turbin akan semakin naik jika rpm juga naik. Dan variasi bukaan katub penuh menjadi daya tertinggi dan rpm tertinggi.
Gambar 2.13 Grafik Kecepatan Turbin vs Daya Turbin (rpm vs P) (sumber : Khurmi, R.E. 1984. A Text Book Of Hydraulic Machine. Ram Nagar, Newdelhi: S. Chand and Company LTD)
b. Grafik Kecepatan Turbin vs Efisiensi (rpm vs ɳ) Pada gambar grafik 2.14 dijelaskan bahwa nilai efisiensi turbin akan semakin naik jika rpm juga naik. Dan variasi bukaan katub penuh menjadi daya tertinggi dan rpm tertinggi.
Gambar 2.14 Grafik Kecepatan Turbin vs Efisiensi (rpm vs ɳ) (sumber : Khurmi, R.E. 1984. A Text Book Of Hydraulic Machine. Ram Nagar, Newdelhi: S. Chand and Company LTD) 2.3 DINAMOMETER Dinamometer adalah instrumen untuk mengukur daya, kerja atau daya yang dilakukan oleh manusia, mesin dan hewan. Dinamometer tidak mengukur daya secara langsung, tetapi dinamometer memberikan cara menentukan besarnya torsi yang mampu dihasilkan oleh suatu motor atau mesin. Torsi ditentukan sebagai hasil dari penggunaan suatu beban dengan dinamometer. Unit beban yaitu bagian dari dinamometer yang menyediakan beban, harus dapat bebas bergerak pada arah putaran poros. Panjang lengan torsi diukur dari pusat poros hingga dimana lengan torsi memberikan gaya pada timbangan. Sedangkan kecepatan poros unit daya yang diuji ditentukan menggunakan alat yang dinamakan tachometer. (sumber : http://yefrichan.wordpress.com/2011/01/03/cara-mengukur-horsepowerhp/) Cara mengkonversi pengukuran torsi kedaya : HP (horse power) = (gaya x jarak)/(waktu x 33.000) Rumus yang diberikan oleh james Watt, untuk mengukur daya HP dari “daya putaran”yaitu : kW = (Torsi (N.m) x RPM)/9549
HP =(Torsi (lb.ft) x RPM)/5252 HP = 2πn x T/60
Gambar 2.15 Dinamometer (sumber : Dokumentasi)
2.4 EFISIENSI TURBIN (
)
Efisiensi turbin dapat dihitung dengan mengunakan rumus:
=
x 100 %
Dimana daya air dapat dihitung dengan rumus : Pair = ρ× g ×
×Q
dimana:
= massa jenis air (1000 kg/m3)
g
= gaya gravitasi (9,81 m/s2) = head efektif (m)
Q
= kapasitas air (m3/s)
Daya turbin dapat dihitung dengan rumus : PT = Т × ω
Dimana ; PT
= Daya Turbin (Watt)
Т
= Torsi (Nm)
ω
= Kecepatan Sudut ( rad/s)
(Susatyo, Anjar. 2006)
