Mekanika Jurnal Teknik Mesin, Volume 1 No. 1, 2015
NOZZLE DAN SUDUT BUANG SUDU TERHADAP DAYA DAN EFISIENSI MODEL TURBIN PELTON DI LAB. FLUIDA Supardi1, Endra Prasetya2 Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas 17 Agustus 1945 Surabaya
Abstract Pelton turbine is one of the impulse turbines, wherein the turbine is able to transform the water potential energy into kinetic energy by using a nozzle. The water that comes out of the nozzle with high speed at atmospheric pressure hit the bucket which consists of two symmetrical parts. After hit the bucket, the direction of the flow velocity change resulting in a change of momentum (impulse), consequently rotating turbine wheel generates mechanical energy. As well as pelton turbine models in laboratory fluid which has been studied by R. Hartono Teguh in his finally task in 2006 on Experimental studies Determining Characteristics of Model Redesign Pelton turbine in Lab. Fluid. Assess experimental this time aimed at the development which also examines the pelton turbine models to determine the effect of variations in the diameter of the nozzle and the angle of the bucket waste of the generated power and efficiency. Variation used is the diameter of the nozzle 6 and 9 mm with exhaust bucket angle 145o, 165o, and 175o. Pelton turbine models that were tested using a single nozzle, with a number of buckets 22 pieces, as well as using a runner diameter of 150 mm. Dimensional bucket used has several main dimensions, namely the width of the bucket 36 mm, bucket length 27 mm, bucket depth of 8.10 mm, bucket gap width of 10.8 mm, and the distance of the center beam bucket Valentine of 13.5 mm. From the data obtained by tests performed power and the largest turbine efficiency at variation of 6 mm diameter nozzle at an angle of 175o bucket exhaust i.e. 38.76 Watts with an efficiency of 82.80%. The largest generator power can be achieved in the variation of 6 mm diameter nozzle at an angle of 175o bucket exhaust i.e. 10.4 Watt, while the best efficiency occurs at the nozzle 9 mm diameter variation with angle of 175o exhaust bucket that is 50.61%. Keywords: Pelton Turbine, and Power Efficiency
I. PENDAHULUAN Dengan keadaan geografis daerah-daerah di Indonesia yang memiliki potensi air dengan head yang memadai untuk pembangkit berskala kecil, maka dikembangkan teknologi pembangkit berskala kecil yang biasa dikenal sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH). PLTMH terdiri dari komponen utama yaitu reservoir, turbin air, generator listrik, dan instalasi perpipaan. Turbin air merupakan penggerak mula yang mengubah energi kinetik dari aliran fluida dengan kecepatan tinggi menjadi energi mekanik berupa putaran roda turbin. Energi mekanik kemudian digunakan untuk memutar generator sehingga menghasilkan listrik. Turbin air yang bisa digunakan salah satunya adalah jenis impuls, sebagai contoh adalah turbin pelton yang pertama kali dibuat oleh Alan Lester Pelton pada tahun 1875. Seperti halnya model turbin pelton di Lab. Fluida yang pernah diteliti oleh R. Hartono Teguh dalam Tugas Akhirnya pada tahun 2006 tentang Kajian Eksperimental Penentuan Karakteristik dari Redesign Model Turbin Pelton di Lab. Fluida. Kaji eksperimental kali ini bertujuan untuk pengembangan sekaligus meneliti model turbin pelton tersebut untuk mengetahui pengaruh variasi diameter nozzle dan sudut buang sudu terhadap daya dan efisiensi yang dihasilkan.
II. BAB TEORI 1.1. Klasifikasi Turbin Air Pengelompokkan jenis turbin air dapat didasarkan dari cara kerjanya, konstruksinya (susunan poros dan pemasukkan air) dan kecepatan spesifiknya. 1.1.1. Turbin Air Berdasarkan Cara Kerjanya a. Turbin aksi atau turbin impuls Turbin aksi atau impuls adalah turbin yang berputar karena adanya gaya impuls dari air. Yang termasuk kedalam turbin jenis ini yaitu turbin pelton. b. Turbin reaksi Pada turbin reaksi air masuk kedalam jaringan dalam keadaan bertekanan dan kemudian mengalir ke sudu. Sewaktu air mengalir ke sekeliling sudu piringan, turbin akan berputar penuh dan saluran belakang (tail race) akan terendam air seluruhnya. Tinggi angkat air sewaktu mengalir ke sekeliling sudu akan diubah menjadi tinggi angkat kecepatan dan akhirnya berkurang hingga tekanan atmosfer sebelum meninggalkan pringan turbin. Yang termasuk kedalam jenis ini adalah turbin francis dan kaplan.
23
Kaji Eksperimental Pengaruh Diameter Nozzle Dan Sudut Buang Sudu Terhadap Daya Dan Efisiensi Model Turbin Pelton Di Lab. Fluida (Supardi dan Endra Prasetya) 1.1.2. Turbin Air Berdasarkan Susunan Poros a. Turbin poros vertikal Yang termasuk turbin jenis ini adalah turbin propeller dan turbin pelton. b. Turbin poros horizontal Yang termasuk turbin jenis ini adalah turbin crossflow, francis dan kaplan. 1.2. Turbin Pelton 1.2.1. Pengenalan Turbin Pelton Turbin pelton merupakan pengembangan dari turbin impuls yang ditemukan oleh S.N. Knight (1872) dan N.J. Colena (1873) dengan pasang mangkokmangkok pada roda turbin. Setelah itu turbin impuls dikembangkan oleh orang amerika Lester G. Pelton (1880) yang melakukan perbaikan dengan penerapan mangkok ganda simetris, punggung membelah membagi jet menjadi dua paruh yang sama yang dibalikan menyamping. Pada turbin pelton putaran terjadi akibat pembelokan pada mangkok ganda runner ( Gambar 2.1 ) oleh sebab itu turbin pelton disebut juga sebagai turbin pancaran bebas.
turbin. Sedangkan makin cepat putaran turbin makin murah harga generatornya. Untuk dapat menghasilkan daya yang sama 1 group turbin dengan 2 roda akan lebih murah daripada dengan dua buah turbin yang masing-masing dengan satu buah roda. 2. Turbin Poros Vertikal Dengan bertambahnya daya yang harus dihasilkan turbin, maka untuk turbin pelton dilengkapi dengan 4 s/d 6 buah nosel. Sedangkan penggunaan 1 atau 2 buah pipa saluran air utama tergantung kepada keadaan tempat dan biya pengadaannya. 1.3. Perancangan Turbin Pelton
Grafik 2.1. Kecepatan spesifik (ns)
Gambar 2.1 Prinsip dasar mangkok pada turbin pelton Turbin Pelton merupakan suatu jenis turbin yang mengandalkan suatu reaksi impuls dari suatu daya yang dihasilkan dari daya hidrolisis. Semakin tinggi head yang dimiliki maka semakin baik untuk turbin jenis ini. Walaupun ns (kecepatan spesifik) relatif kecil tapi memungkinkan untuk kecepatan yang tinggi dengan ketentuan jumlah nozzle yang banyak dalam meningkatkan daya yang lebih tinggi. Sehingga jika putaran dari generator yang dikopel ke turbin semakin tinggi, maka generator yang digunakan akan semakin memiliki performansi yang baik. 1.2.2. Klasifikasi turbin pelton Ada beberapa jenis turbin pelton menurut posisi turbinnya, yaitu : 1. Turbin Poros Horizontal Turbin ini digunakan untuk head kecil hingga menengah. Makin bayak aliran air yang dibagi dalam arti makin banyak nosel yang digunakan, makin bisa dipertinggi pula pemilihan kecepatan
Dalam perancangan turbin pelton telah ada suatu ketentuan yang mengatur dari desain/rancangan turbin pelton secara baku. Intinya kita tinggal menggunakan beberapa parameter utama untuk menghasilkan dimensi yang lain. Dalam grafik di bawah ini akan ditunjukkan hubungan antara Head dengan ns juga jumlah nosel dan kisaran jumlah mangkok (sudu). Kecepatan spesifik adalah kecepatan dalam satuan rpm (putaran per menit) suatu turbin khayal yang dalam segala halnya serupa benar dengan turbin sesungguhnya. Rumus matematis dari kecepatan spesifik adalah : √
Dimana :
Nt Q H
= Putaran turbin rencana (rpm) = Kapasitas alir (m3/s) = Head (m)
Persamaan 2.1. Kecepatan spesifik (ns) 1.4. Dimensi Turbin 1.4.1. Nozzle Dalam turbin pelton nozzle merupakan hal penting dalam proses kerjannya, karena nosel memiliki fungsi utama dalam meningkatkan daya turbin. Karena
24
Mekanika Jurnal Teknik Mesin, Volume 1 No. 1, 2015
turbin pelton memperoleh daya hidrolis menggunakan prinsip impuls aliran air dari nozzle tersebut. Perubahan banyaknya nozzle dapat meningkatkan daya yang akan di bangkitkan oleh turbin tersebut. Suatu nozzle mempunyai ukuran tertentu, dalam hal ini diameter nozzle tersebut. Diamater nozzle sangat berpengaruh kepada dimensi dari kontruksi turbin pelton secara keseluruhan (khususnya dalam dimensi sudu). √
Dimana :
Q H
1.4.4. Dimensi runner
Dimana :
u = kecepatan keliling ( m/s ) n = kecepatan poros generator ( rpm ) Persamaan 2.11. Diameter runner
Dimana u adalah kecepatan keliling runner : √
√ 3
= Kapasitas alir (m /s) = Head (m)
Persamaan 2.2. Diameter nozzle 1.4.2. Geometri Sudu Geometri sudu turbin pelton yang meliputi lebar sudu (B), kedalaman sudu (C), lebar bukaan sudu (M), panjang sudu (L), dan jarak pusat pancaran jet ke ujung sudu (l) secara empiris (Seith & Modi, 1991). Lebar sudu ( ) ................................................. (2.3) Kedalaman sudu ( ) ............................................... (2.4) Lebar celah sudu ( ) ................................................. (2.5) Panjang sudu ( ) ..................................................... (2.6) Jarak pusat pancaran air ke ujung sudu ( ) ...................................................... (2.7) Dimana : .......................... dn = Diamater nozzle (mm) Sudut pancaran air masuk sudu β1 = 5o s.d 8o .................................................................. (2.8) Sudut pancaran air keluar sudu (sudut pantul) β2 = 160o s.d 170o ....................................................... (2.9)
Dimana : φ = Konstanta gesekan ( 0,43 – 0,48 ) ( Finnemore and Franzini, 2006 ) g = Percepatan gravitasi (m/s2) H = head ( m ) Persamaan 2.12. Kecepatan keliling pancaran 1.4.5. Kecepatan Relative
Gambar 2.3. Gambar gaya nozzle dan mangkuk Jet air dengan kecepatan V1 membentur double cupped buckets yang mana memisahkan aliran dan membelokkan kecepatan relativenya (Vr) melalui sudut β2 (gambar 2.2), sehingga menimbulkan suatu gaya pada permukaan bucket. Oleh karena itu, menghasilkan momen gaya untuk memutar turbin.
Dimana: V1 : Kecepatan pancaran nozzle (m/s) u : Kecepatan keliling runner (m/s) Persamaan 2.13. Kecepatan relative Gambar 2.2. Dimensi sudu 1.4.3. Jumlah Sudu √ Dimana :
D d
= Diameter runner (m) = Diameter nozzle (m)
Komponen gaya (F) yang diberikan pada bucket adalah: - o β .................................. (2.14) Dimana : F = Gaya pancaran sudu (N) Vr = Kec. relative fluida terhadap sudu (m/s) V1 = Kecepatan pancaran nozzle (m/s) β2 = Sudut buang sudu (o)
Persamaan 2.10. Jumlah sudu
25
Kaji Eksperimental Pengaruh Diameter Nozzle Dan Sudut Buang Sudu Terhadap Daya Dan Efisiensi Model Turbin Pelton Di Lab. Fluida (Supardi dan Endra Prasetya) 1.5. Kapasitas Aliran Untuk mengukur debit air khususnya menggunakan 90 North Weir, hitung ketinggian hingga batas air permukaan dan hitung menggunakan rumus :
Dimana :
Q = Kapasitas aliran fluida (m3/s) H = Head pompa (m) Persamaan 2.15. Kapasitas aliran
: berat jenis fluida (N/m3) : percepatan gravitasi (m/ )
g
Persamaan 2.16. Prinsip Bernoulli Persamaan di atas digunakan jika diasumsikan tidak ada kehilangan energi antara dua titik yang terdapat dalam aliran fluida, namun biasanya beberapa head losses terjadi diantara dua titik. Jika head losses tidak diperhitungkan maka akan menjadi masalah dalam penerapannya di lapangan. Jika head losses dinota ikan den an “hl” maka pe amaan Be no lli di atas dapat ditulis menjadi persamaan baru, dirumuskan sebagai : (
Gambar 2.4. 900 V Notch weir 1.6. Prinsip Bernoulli Prinsip Bernoulli adalah sebuah istilah di dalam mekanika fluida yang menyatakan bahwa pada suatu aliran fluida, peningkatan pada kecepatan fluida akan menimbulkan penurunan tekanan pada aliran tersebut.
)
p (
)
l
(2.17)
Persamaan di atas digunakan untuk menyelesaikan banyak permasalahan tipe aliran, biasanya untuk fluida inkompressibel tanpa adanya penambahan panas atau energi yang diambil dari fluida. Namun, persamaan ini tidak dapat digunakan untuk menyelesaikan aliran fluida yang mengalami penambahan energi untuk menggerakkan fluida oleh peralatan mekanik, misalnya pompa, turbin dan peralatan lainnya. 1.7. Efisiensi Turbin Efisiensi turbin ditentukan oleh perbandingan daya output yang dihasilkan putaran sudu turbin dengan daya input turbin. Dalam bentuk persamaan adalah sebagai berikut :
t
Gambar 2.5. Prinsip Bernoulli Prinsip ini sebenarnya merupakan penyederhanaan dari Persamaan Bernoulli yang menyatakan bahwa jumlah energi pada suatu titik di dalam suatu aliran tertutup sama besarnya dengan jumlah energi di titik lain pada jalur aliran yang sama. Prinsip ini diambil dari nama ilmuwan Belanda/Swiss yang bernama Daniel Bernoulli. Persamaan di atas dapat dinyatakan sebagai berikut: (
) (
)
Dimana : P1 dan P2 : tekanan pada titik 1 dan 2 (N/ ) V1 dan V2 : kecepatan aliran pada titik 1 dan 2 (m/ ) Z1 dan Z2 : perbedaan ketinggian antara titik 1 dan 2 (m)
Dimana : T : Torsi poros = F . r (N.m) r : Jari-jari runner (m) : Kecepatan keliling ⁄ ( ) nt : Putaran poros (rpm) Persamaan 2.18. Efisiensi Turbin 1.8. Efisiensi Generator Efisiensi generator adalah perbandingan antara daya output yang dihasilkan oleh generator dengan daya input yang dihasilkan oleh daya poros turbin.
Dimana : V I
: Voltage generator (Volt) : Kuat arus (Ampere)
Persamaan 2.19. Efisiensi Generator
26
Mekanika Jurnal Teknik Mesin, Volume 1 No. 1, 2015
III. METODOLOGI PENELITIAN Kaji eksperimental kali ini bertujuan untuk pengembangan sekaligus meneliti dengan melakukan percobaan pada model turbin pelton yang ada di Lab. Fluida untuk mengetahui pengaruh variasi diameter
nozzle dan sudut buang sudu terhadap daya dan efisiensi yang dihasilkan.
Diagram 3.1 Flowchart Metodologi Penelitian
IV. PEMBAHASAN
Daya Poros (Watt)
Grafik Hubungan Pengaruh Diameter Nozzle dan Sudut Buang sudu Terhadap Daya Poros Turbin 50 40 30 20 10 0
37.57
38.57
38.76
12
12.24
12.27
d nozzle 6 d nozzle 9
140
150
160
Sudut Buang sudu β2
170
180
(o)
Grafik 4.1 Grafik hubungan pengaruh diameter nozzle dan sudut buang sudu terhadap daya turbin
27
Kaji Eksperimental Pengaruh Diameter Nozzle Dan Sudut Buang Sudu Terhadap Daya Dan Efisiensi Model Turbin Pelton Di Lab. Fluida (Supardi dan Endra Prasetya)
Eisiensi Turbin (%)
Grafik Hubungan Pengaruh Diameter Nozzle dan Sudut Buang sudu Terhadap Effisiensi Turbin 100 80 80.26
82.4
82.8
60 56.74
57.87
58.02
40
d nozzle 6
20
d nozzle 9
0 140
150
160
170
Sudut Buang sudu β2
180
(o)
Grafik 4.2 Grafik hubungan pengaruh diameter nozzle dan sudut buang sudu terhadap efisiensi turbin
pg (Watt)
Grafik Hubungan Pengaruh Diameter Nozzle dan Sudut Buang sudu Terhadap Daya Generator 12 10 8 6 4 2 0
10.395
10.08
8.96
6.21
5.3
4.875
d nozzle 6 mm d nozzle 9 mm 140
150
160 β2
170
180
(o)
Grafik 4.3 Grafik hubungan pengaruh diameter nozzle dan sudut buang sudu terhadap daya generator
Grafik Hubungan Pengaruh Diameter Nozzle dan Sudut Buang sudu Terhadap Efisiensi generator ηgen (%)
60 40
40.62
43.3
20
23.85
26.14
50.61 26.7
0 140
150
160
170
180
β2 (o) d nozzle 6 mm
d nozzle 9 mm
Grafik 4.4 Grafik hubungan pengaruh diameter nozzle dan sudut buang sudu terhadap efisiensi generator Pada (grafik 4.1) menjelaskan besarnya daya poros yang dihasilkan oleh pengaruh variasi diameter nozzle dan sudut buang sudu. Dari hasil pengujian didapatkan daya turbin terbesar yang dihasilkan terjadi
pada variasi diameter nozzle 6 mm dengan sudut buang sudu 175o. Efisiensi adalah perbandingan besarnya energi yang masuk dengan energi yang dihasilkan. (Grafik 4.2) diatas menunjukkan bahwa efisiensi turbin
28
Mekanika Jurnal Teknik Mesin, Volume 1 No. 1, 2015
terbesar terjadi pada variasi diameter nozzle 6 mm dengan sudut buang sudu 175o. Hal ini disebabkan karena besarnya energi yang hasilkan besarnya hampir sebanding dengan dengan energi yang masuk. Untuk daya generator energi yang masuk adalah dalam bentuk daya putaran poros yang dibuah menjadi daya putaran generator yang dihubungkan melalui putaran rotor dan stator yang kemudian mengasilkan tegangan dan kuat arus akibat pembebanan. (Grafik 4.3) diatas menunjukkan bahwa daya generator terbesar terjadi pada variasi diameter nozzle 6 mm dan sudut buang sudu175o. Efisiensi generator dalam kaji eksperimental ini adalah perbandingan energi yang dihasilkan dengan energi yang masuk. Energi yang dihasilkan adalah dalam bentuk daya generator, sedangan daya yang masuk adalah daya turbin. Pada (grafik 4.4) menjelaskan efisiensi terbesar terjadi pada variasi diameter nozzle 9 mm dan sudut buang sudu 175o. V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan Variasi diameter nozzle dan sudut buang sudu yang dilakukan ini berpengaruh terhadap daya dan efisiensi yang dihasilkan. Pengujian pada variasi diameter nozzle 6 mm dengan sudut buang sudu 145o, 165o, dan 175o menghasilkan daya dan efisiensi turbin lebih besar dibandingkan dengan menggunakan variasi diameter nozzle 9 mm dengan sudut buang sudu 145o, 165o, dan 175o. Daya terbesar yang dihasilkan baik oleh turbin maupun generator terjadi pada variasi diameter nozzle 6 mm dengan sudut buang sudu 175o, sedangkan efisiensi terbaik yang dihasilkan oleh generator terjadi pada variasi diameter nozzle 9 mm dengan sudut buang sudu 175o.
Giles, Renald V. B.S., M.S. in C.E. (1977). Theory and Problem of Fluid Mechanics and Hidraulics(SI-Metric). 2nd Edition. McGrawHill. Inc. (Diterjemahkan oleh Ir. Hermawan Widodo Soemitro.(1990). Mekanika Fluida dan Hidraulika. Edisi; kedua (SI-Metrik). Jakarta.Erlangga.) Streeter, Victor L and Wylie, E. Benjamin.(1985). Fluids Mechanics. 8th Edition. McGraw-Hill. Inc. (Diterjemahkan oleh Prijoko Arko, M.S.E.(1988). Mekanika Fluida. Edisi; Delapan, Jilid 2. Jakarta. Erlangga.) Susatyo, Anjar. 2003. Perancangan Turbin Pelton. Jurnal Penelitian. Bandung: Pusat Penelitian Informatika – LIPI. Teguh, R. Hartono. 2006. Kajian Eksperimental Penentuan Karakteristik dari Redisgn Model Turbin Pelton di Lab. Fluida. Laporan Tugas Akhir. Surabaya : Teknik Mesin Universitas 17 Agustus 194 Surabaya
5.2. Saran 1. Diharapkan ada pengembangan selanjutnya mengenai penelitian model turbin pelton ini khususnya untuk daya output yang dihasilkan pada model turbin pelton ini masih kecil, diharapkan ada pengembangan khususnya untuk daya output generator dengan pemilihan generator yang tepat 2. Didalam melakukan pengukuran baiknya menggunakan alat ukur digital atau merk dengan kualitas baik karena keakuratannya yang lebih teliti. DAFTAR PUSTAKA Bono, Indarto. 2008. Karakterisasi Daya Turbin Pelton Mikro Dengan Variasi Bentuk Sudu. Jurnal Penelitian. Yogyakarta. Pascasarjana Universitas Gadah Mada. Dugdale. R.H.(1981). Fluid Mechanics. 3rd Edition. George Godwin. Ltd. (Diterjemahkan oleh Priambodo, Ir. Priambodo.(1986). Mekanika Fluida. Edisi; Ketiga. Jakarta. Erlangga.)
29
