TUGAS AKHIR KONVERSI ENERGI
PERANCANGAN TURBIN FRANCIS PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO ”Studi Kasus Di Desa Manggisan Kecamatan Tanggul Kabupaten Jember” Oleh : Ade Wira Kusuma 2108100623 DOSEN PEMBIMBING : Dr. Ir. Heru Mirmanto, MT
Latar Belakang
Energi listrik Menipisnya sumber energi tersebut Mahal
Bahan bakar fosil
Sumber tenaga terbarukan
Polusi
Belum terlaksananya Kebijakan Pemerintah secara maksimal Proporsi penggunaan sumber energi
Peningkatan kebutuhan energi listrik Banyaknya sumber energi terbarukan
Potensi Sungai Antrokan
PLTMH
Perumusan Masalah Telah dioperasikannya beberapa PLTMH dengan instalasi dan desain sangat sederhana, berdaya kecil dan effisiensi rendah.
1. Bagaimana merancang turbin air berdaya sedang, handal, efisiensi tinggi,mudah pengoperasian dan perawatannya 2. Bagaimana mendesain/merancang turbin air tipe francis yang sesuai kondisi lokasi dengan ΔZ =25m dan Q = 0.5 m3/s
Batasan Masalah
Data dengan tinggi jatuh air = 25 meter dan debit air = 0,5 m3/detik. Agar memudahkan sistem transmisi dibutuhkan putaran turbin sebesar 375 rpm. Turbin air yang direncanakan adalah turbin francis. Efisiensi dari turbin sebesar 0,85 berdasarkan grafik effisiensi sebagai fungsi beban.
Letak power house kurang lebih 41 meter.
Tujuan Merancang komponen utama turbin francis yang dapat dioperasikan sesuai kondisi lapangan Sungai Antrokan, komponen-komponen utama yang dirancang meliputi : 1. Runner (roda turbin) 2. Spiral Casing (rumah turbin) 3. Guide Vane (sudu diam) 4. Draft Tube
Merancang penstock. Merancang poros, pasak dan melakukan pemilihan bearing. Membuat gambar susunan turbin hasil rancangan
Manfaat Dihasilkan suatu desain turbin francis yang memiliki daya sedang, handal, efisiensi tinggi, mudah pengoperasian dan perawatannya serta sesuai kondisi lokasi. Bermanfaat bagi masyarakat sekitar lokasi di sungai antrokan untuk memberi pengetahuan tentang turbin yang digunakan untuk menggerakkan generator guna membangkitkan listrik.
Tahapan Perancangan Studi literatur Studi lapangan Perancangan pipa pesat → Jenis dan dimensi pipa Perancangan turbin - Pemilihan jenis turbin menurut putaran spesifik - Perancangan komponen utama turbin - Runner - Spiral casing - Guide vane - Draft tube Perancangan poros → Bahan poros dan ukuran poros Perancangan pasak → Bahan dan dimensi pasak Pemilihan bearing → Tipe, dimensi dan umur bearing
Tahapan Perancangan Turbin Francis Parameter perancangan Metode Perancangan Pemilihan Jenis Turbin menurut Ns A
Mulai
Data Perencanaan
Kecepatan Aliran dalam Penstock
Daya Turbin N = Q × H × ρ × g ×η t
Perencanaan Putaran Turbin
Putaran Spesifik Head Turbin
Ns =
nturbin × N H 5/ 4
A
Menentukan Pilihan Turbin
Selesai
Debit (Q) Perbedaan ketinggian (∆Z) Panjang penstock (l) Diameter internal penstock (D) Losses coefficent fitting perpipaaan (K) Le/D fitting perpipaan Massa jenis air tawar (ρ) Efisiensi turbin (ηt) Viskositas kinematik air tawar (μ)
Perancangan runner Mulai
A
N (daya turbin), Ns (putaran spesifik), Q (debit), H (head turbin), n (putaran turbin)
Dengan mengasumsikan β2=25° dan menggunakan metode tabel didapatkan (r, Cm, β, Mst, θ) untuk setiap streamline.
Diameter poros 5,1 Dsh = × K t × Cb × T τ a
1/ 3
Dimensi Runner Dh(Øhub),Ds(Øoutlet),D1A(Øinlet streamline),B(lebar runner),D2A(Øoutlet streamline)
Kecepatan Meredional C m1 / 2 = Kc m1 / 2 × 2 × g × H
A
Jumlah sudu roda turbin r β + β2 Z = 13 × m × sin( 1 ) e 2
Menggambar Runner (Roda Turbin)
Dimensi runner Diameter hub Dh = (1,3 − 1,4) Dsh
Q1’ dari gambar 2.15
Selesai Diameter outlet Q Ds = Q1 '× H Diameter inlet streamline sentral D1A, β1, dari gambar 2.14 untuk Ns tertentu
B/D dari gambar 2.17
Lebar Roda Turbin B B= × D1 D Menentukan D2A dengan menggunakan metode grafis pada software autocad
Perancangan spiral casing
Mulai
Putaran spesifik (Ns), Diameter Keluaran (Ds)
Dimensi Spiral Casing (Rumah Turbin)
A 19,5 = 1,2 − Ds Ns
B 54,8 = 1,1 + Ds Ns
Menggambar Spiral Casing (Rumah Turbin)
Selesai
A C 49,25 = 1,32 + Ds Ns
G 96,5 = 0,89 + Ds Ns
D 48,8 = 1,5 + Ds Ns
E 63.6 = 0,98 + Ds Ns
F 131,4 = 1+ Ds Ns
A
I = 0,1 + 0,00065N s Ds L = 0,88 + 0,00049N s Ds M = 0,6 + 0,000015 N s Ds
Perancangan guide vane Mulai
A
D’=Dimensi Rumah Turbin (G)
Gambar 2.21. Grafik The Guide Vane Maximum Angle a0 at Full Load Fungsi Putaran Spesifik (Ns)
Diameter inlet ring guide vane (G) Diameter outlet ring guide vane (D’) pada gambar 2.25
Jumlah Guide Blades 1 Z = D' + (4 ÷ 6) 4
Diameter peletakkan Guide Vane Shaft D0 = D1 (0,29Ω + 1,07)
Menentukan penampang dari guide blade berdasarkan gambar 2.23
Menggambar Guide Vane
A Selesai
Perancangan draft tube
A
Mulai
N 203 .3 = 1,54 + Ds Ns
Putaran spesifik (Ns) Diameter keluaran (Ds)
O 140 ,7 = 0,83 + Ds Ns
Dimensi Draft Tube
P = 1,37 − 0,00056 N s Ds
Menggambar Draft Tube
Q 22,6 = 0,58 + Ds Ns
U = 0,51 − 0,0007 N s Ds
Selesai
A
V 53 ,7 = 1,10 + Ds Ns
R 0,0013 = 1,6 − Ds Ns
Ns S = D3 − 9.28 + 0,25 N s
T = 1,5 + 0,00019 N s Ds
Z 33 .8 = 2,63 + Ds Ns
Perancangan Turbin Data Input Perancangan 1. Lokasi : Sungai Antrokan 2. Spesifikasi pipa pesat : Material : Thermoplastic PVC (Polyvinyl Chloride) pipes Schedule 80 Panjang : 50 m External diameter : 24 inch Internal diameter : 21,418 inch (0,544 m) 3. Q = 0,5 m3/s 4. ∆Z = 25 m 5. Efisiensi turbin 0,85 6. Putaran turbin n = 375 rpm 7. Fluida kerja air tawar, dengan properties : T = 25 C , ρ = 997,1 kg/ m
Perhitungan netto Head Turbin (H) Head loss mayor pada pipa pesat (hl) Dari tabel friction loss and flow velocity in PVC and CPVC pipes Schedule 80 didapatkan : 1. Kecepatan aliran (V) = 2,1235 m/s 2. Friction Head = 0,5356
Panjang pipa = 164,04 ft Head loss mayor = hl = 164,04 ft × 0,5495 ×
hl = 0,27476m
0,3048m ft
Head loss minor pada pipa pesat (hlm)
hlm = hlme + hlmPb + hlmg + hlmel Dimana : hlme : hlm pada entrance, dengan K1 =0,5 Le
hlmPb : hlm pada pipe bends, dengan D = 15 hlmg : hlm pada gate valve, dengan K2 = 0,15 hlmel : hlm pada enlargement, dengan K3 = 0,15
− 2
friction factor (f)
hl = f ×
→
l V × D 2g
f = 0,0127 Head loss minor = K1 +
f
2 Le V + K 2 + 2K 3 D 2g
hlm = 0,2782 m Netto Head Turbin (H) : H =
P1 − P2
γ
V − V2 + 1 + Z 1 − Z 2 − ∑ hl 2g 2
2
H = ∆Z − (hl + Σhlm )
H = 24,447 m Daya Turbin
N = Q × H × ρ × g ×η t = 101,6303kW = 136,2863Hp
P1 = P2 = Patm V1 = V2 ≈ 0 m/s2
Putaran Spesifik Dari Turbin Ns =
n× N (H )
5
Ns =
4
375rpm × 101,63 (24,447 m)
5
N s = 70
4
Perancangan runner 1. Diameter Poros (Dsh) 5,1 Dsh = × K t × Cb × T τ a
1/ 3
Dsh = 77,75 ≈ 80 mm
τa =
σB Sf1 × Sf 2
τa =
58 6 × 1,5
τ a = 6,44kg / mm 2
2. Diameter hub (Dh)
Dh = (1,3 − 1,4) × Dsh = 108 mm
Kt = faktor koreksi ; 1,5-3 Cb = 1,2-2,3
Dimensi runner 3. Diameter keluaran roda turbin (Ds=D3) Ds =
Q1 ' = 0,165
Q Q1 '× H
Ds = 0,783m = 783mm
4. Diameter masukan central streamline (D1A=D1)
β1 = 90° D1 >1 Ds
D1 = D1 A > Ds D1 = 790 mm
5. Lebar roda turbin (B)
B = B / D1 × D1
B = 0,095 × 790mm = 75,05 mm
6. Diameter keluaran central streamline (D2A) D2A = 445,866 mm
7. Meredional Velocity (Cm)
Kcm1 = 0,135 Kcm2 = 0,1 C m1 = K Cm1 × 2 gH
Cm1 = 2,9566 m/s (inlet)
C m 2 = K Cm 2 × 2 gH
Cm2 = 2,19 m/s (outlet)
Pengecekan Dimensi Poros Turbin 1. Perhitungan Volume dan Berat Roda Turbin (Runner) •Perhitungan volume sudu roda turbin
volume − sudu = ∑ sudu × ∑ segmen × luassegmen × ketebalansudu Σsudu Σsegmen ketebalansudu luassegmen
= 8 buah = 10.000 buah = 5 mm = 7,3269 mm2
volume sudu = 2,9308 x 10-3 m3 •Perhitungan volume bagian roda turbin yang lain (tanpa sudu)
Volume tanpa sudu = Vol.bagianhijau + Vol.bagianbiru = (2.282.669,7916 + 2.129.864,9425) × 10 −9 m 3 = 4.412.534,734 × 10 −9 m 3 Volume total roda turbin = Volume sudu + Volume tanpa sudu = 7,3433 × 10 −3 m 3 Berat runner (wr) :
wr = Volumetotal − roda −turbin × ρ r × g
wr = 540,2829 N
High Chromium Iron ρ = 7,5 gram/cc
2. Perhitungan Volume dan Berat Poros Berat poros (wsh) : Material S35C-D, densitas (ρ) sebesar 7,85 gram/cc
wsh = Volumesh × ρ sh × g
wsh = 232,134 N 3. Torsi yang Diakibatkan oleh Daya yang Dihasilkan Turbin (Torque)
Torque =
N × 60 2π × n
= 2589,307 Nm
4. Hydraulic Thrust (T)
K × Ds × H T= 2,94 2
= 29981,79 N
K = 0,26
5. Perhitungan Gaya Radial (Fr)
Fr = K r × p × D1 × B → ns =
n × gpm (H )
3
4
→ Q = 7826,1gpm → H = 80,2067 ft
→ ns = 1245,6
K r= 0,19
Fr = K r × ( H × ρ H 2O × g ) × D1 × B
Fr = 2693,7959 N
Tegangan geser maximum
σ x −σ y 2
τ maks =
2
+ τ s 2
σx = 0
asumsi : berat pully (W b) = 75 N berat flywheel (W f) = 150 N
(−σ y ) + τ s 2 = 2 2
τ maks
→σy =
4.( wr + wsh + T + Wb + W f ) 4.Fa = = 6,1662 MPa π .Dsh 2 π .Dsh 2
→τs =
16Torque = 26,1356 MPa 3 π .Dsh
τ maks = 26,1356MPa
Pengecekan keamanan poros
τ maks ≤ 26,1356 Mpa ≤
Ssyp N 58Mpa 2
Material poros : S35C-D
Aman
Perancangan Spiral Casing • N s = 70
Ds = 783 mm 19,5 Ds = 722mm → A = 1,2 − N s 54,8 Ds = 1474mm → B = 1,1 + N s
49,25 Ds = 1585mm → C = 1,32 + N s
48,8 Ds = 1721 → D = 1,5 + N s 63,6 Ds = 1479mm → E = 0,98 + N s
131,4 Ds = 2253mm → F = 1 + N s 96,5 Ds = 1847 mm → G = 0,98 + N s
→ I = (0,1 + 0,00065.N s )Ds = 114mm
→ L = (0,88 + 0,00049.N s )Ds = 716mm → M = (0,6 + 0,000015.N s )Ds = 471mm
Material Spiral casing : Cast Iron ASTM A356
Perancangan Guide Vane → G = 1847 mm
Jumlah Guide Blade
1 D' + (4 ÷ 6) 4 1 Zl = 830mm + 5 4 = 12 buah Zl =
D' = D1 + (40 ÷ 100)mm
D' = 790mm + 50mm D' = 830mm
Outlet Blade Angle
Ns = 70
Outlet Blade Angle =14,5
Diameter range peletakkan guide vane (Do)
D0 = D1 (0,29Ω + 1,07)
Ω=ω Q −−
−−
Didapatkan :
ω = 1,8
Q= −−
ω= −−
−−
Q = 0,02283 −−
Ω = 0,2708 Maka :
D0 = 790mm × (0,29 × (0,2708) + 1,07)
D0 = 907,338mm
Material Guide vane : High Chromium Iron
Q 2.g.H
ω 2.g.H
2.π .n 60 = 39,25rad / s
ω=
Perancangan Draft Tube
→ N s = 70
→Ds = 783 mm
203,3 Ds = 3480mm → N = 1,54 + N s
53,7 Ds = 1462mm → V = 1,1 + N s
140,7 Ds = 2223mm → O = 0,83 + N s
33,8 Ds = 2438mm → Z = 2,63 + N s
→ P = (1,37 − 0,00056.N s )Ds = 1042mm 22,6 Ds = 707 mm → Q = 0,58 + N s
0,0013 Ds = 1253mm → R = 1,6 − N s Ns Ds = 6668mm → S = − + 9 , 28 0 , 25 . N s
→ T = (1,5 + 0,00019.N s )Ds = 1185mm → U = (0,51 − 0,0007.N s )Ds = 361mm
Material Draft tube : Cast Iron ASTM A356
Perencanaan Pasak Gaya yang Bekerja pada Pasak dan Dimensi pasak
Torque Dsh 2 F = 64732,675 N
→F =
1. Tegangan geser pada pasak → S s =
F F = A W ×L
→Dari buku Deutschman, Aaron D., Michels, Walter J., and Wilson, Charles E. Machine theory and practice, poros Ø80 mm (2 7/8 inch) : W = H = 3/4 inch = 1,905 cm. Syarat aman pasak :
Ss ≤
Ssyp sf
Ssyp = 0,58Syp Syp = 60,2 ksi = 415 Mpa
Panjang pasak minimal :
L≥
F × sf 0,58Syp × W
L ≥ 0,028m
Design
2. Tegangan kompresi pada pasak →
Sc =
F F = A H ×L 2
Syarat aman pasak : S c ≤
Scyp sf
Panjang pasak minimal :
L≥
2 × F × sf H × Syp
L≥
2 × 58221,54 N × 2,5 0,01905m × (415 × 10 6 ) Pa
Scyp Syp = sf sf
L ≥ 0,0333m Ditinjau dari tegangan geser dan tegangan kompresi Jadi panjang pasak minimum : 3,33 cm Maka panjang pasak yang digunakan : 4 cm
Material pasak : AISI 1018
Pemilihan Bantalan Lnm = a1 .a skf
Umur bantalan :
→ standard ISO untuk bearing
10 6 C 60n P
p
a1 = 1 askf
= 0,35 C = 670 kN
P = equivalent dynamic bearing Spherical Roller Thrust Bearing d (diameter dalam) D (diameter luar) H (tebal) C (konstanta dynamic load) Co (konstanta static load) A (minimum load factor)
= 80 mm = 170 mm = 54 mm = 670 kN = 1630 kN = 0,25
→ minimum load bearing : Fam
Fam
n = 1,8 Fr + A. 1000 = 4,88kN
P = Fa + 1,2 Fr = 34,062 kN 10 / 3
Lnm
106 670kN = 1× 0,35 60 × 375rpm 34,062kN
Lnm = 3,2 × 105 jam
2
Syarat bearing beroperasi baik :
Fam ≤ T + wr + wsh + Wb
Material bearing : 52100 High C-Cr
Spiral casing :
Guide vane :
A = 722 mm
F = 2253 mm
Jumlah Guide Blades (Zl)
= 12 buah
B = 1474 mm
G = 1847 mm
Outlet Blade Angle (α0)
= 14.5º
C = 1585 mm
I
Diameter range peletakkan guide vane (D0)
= 907,3 mm
D = 1721 mm
L = 716 mm
E = 1479 mm
M = 471 mm
= 114 mm
Draft tube :
Poros:
N = 3480 mm
S = 6668 mm
Panjang
= 60 cm
O = 2223 mm
T = 1185 mm
Diameter (Dsh)
= 8 cm
P = 1042 mm
U = 361 mm
Q = 707 mm
V = 1462 mm
R = 1253 mm Pasak :
Z = 2438 mm
Panjang (L)
= 4 cm
Lebar (W)
= 3/4 inch = 1,905 cm (berdasarkan tabel)
Tinggi (H)
= 3/4 inch = 1,905 cm (berdasarkan tabel)
Tipe
= Square Key
