PERENCANAAN TURBIN CROSS FLOW Yanziwar (1) (1)
Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang ABSTRACT
Nowadays between sustainable developments of renewable sources of energy the hydroenergy plays an important and crucial role. Because usually the great hydropower plants are already built it remains to harness the medium and small hydropower sources. Among the different types of hydraulic turbines, the cross-flow type is a real option and viable solution from technical- economical point of view. The cross-flow turbines (CFT) consist from two main hydrodynamic machine elements namely the runner and the nozzle. The CFT is in almost all regimes of operation an impulse wheel machine. CFT has the peculiarity that, like the Pelton hydraulic turbine, there is no connection between the rate of flow of the hydraulic turbine and the rotational speed of the runner but the width of the runner is a function of the rate of flow through the CFT. In operation the runner is only partially immersed in water, every inter-blade channel, twice in a complete rotation of the runner. Keywords: cross-flow turbines, width of the runner, rate of flow. 1. PENDAHULUAN Pertumbuhan ekonomi suatu negara membutuhkan ketersediaan berbagai sumber daya alam di samping sumber daya manusia. Salah satu sumber daya alam terpenting ialah sumber daya energi yang merupakan salah satu pendorong utama pertumbuhan ekonomi. Keterbatasan sumber daya energi yang dimiliki Indonesia, merupakan kendala yang dapat menghambat laju pertumbuhan ekonomi dikemudian hari. Oleh karena itu diperlukan suatu strategi yang tepat untuk memenuhi kebutuhan energi Indonesia dimasa mendatang, antara lain melalui penggunaan sumber energi alternatif (diversifikasi). Tenaga listrik merupakan sumber energi yang sangat penting bagi kehidupan manusia baik untuk kegiatan industri, kegiatan komersial maupun dalam kehidupan sehari-hari rumah tangga. Energi listrik dibutuhkan untuk memenuhi kebutuhan penerangan dan juga proses produksi yang melibatkan barangbarang elektronik dan alat-alat/mesin industri. Mengingat begitu besar dan pentingnya manfaat energi listrik sedangkan sumber energi pembangkit listrik terutama yang berasal dari sumber daya tak terbarui keberadaannya terbatas, maka untuk menjaga kelestarian sumber energi ini perlu diupayakan langkah-langkah strategis yang dapat menunjang penyediaan energy listrik secara optimal dan terjangkau. Saat ini, ketersediaan sumber energi listrik tidak mampu memenuhi peningkatan kebutuhan listrik di Indonesia. Terjadinya pemutusan sementara dan pembagian energi listrik secara bergilir merupakan dampak dari terbatasnya energy listrik yang dapat disupply oleh PLN. Hal ini terjadi karena laju pertambahan sumber enegri baru dan pengadaan
pembangkit tenaga listrik tidak sebanding dengan peningkatan konsumsi listrik. Krisis energi listrik ini tidak juga terjadi di Sumatera Barat, sehingga Pemadaman bergilir kerap dilakukan di Padang dan kota-kota lainnya, padahal daerah ini tergolong memiliki banyak pembangkit berskala besar. Krisis listrik memang tidak terhindari lagi, karena kemampuan pembangkit saat ini tidak bisa optimal. PLTA Singkarak yang memiliki kapasitas terpasang 4 x 43 megawatt (172 MW), kemampuan normalnya hanya 160 MW, dan saat ini hanya menghasilkan sekitar 90 MW. PLTA Maninjau dengan kapasitas terpasang 4 x 17 megawatt (68 MW), kemampuan normalnya 50 MW dan kini hanya menghasilkan 30 MW.PLTA Batang Agam tak jauh berbeda. Pembangkit yang memiliki kapasitas terpasang 2 x 5 megawatt (10 MW) saat ini cuma menghasilkan energi listrik sebesar 4 MW (Humas PT. PLN Wilayah Sumatera Barat). Menyadari kendala yang dihadapi pembangkitpembangkit yang telah ada, mulai dipikirkan pemanfaatan sumber energi listrik lain. Salah satu potensi yang dinilai cukup besar adalah arus sungai untuk diolah menjadi energi listrik dengan melalui Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) skala menegah, mini, dan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hydro (PLTMH). Berdasarkan survei dan pendataan pihak PT PLN wilayah Sumbar sedikitnya terdapat 45 lokasi di Sumbar yang memiliki potensi energi air untuk pembangkit tenaga listrik dengan kapasitas daya mencapai 100 ribu kilowatt (KW). Lokasi potensi air itu terdapat di Batang Bayang Kabupaten Pesisir Selatan (Pessel) dengan kapasitas sumberdaya mencapai 43 ribu KW dan di Danau Maninjau Kabupaten Agam dengan kapasitas 40 ribu KW. Pinang Awam Solok juga memiliki potensi
Jurnal Teknik Mesin
Vol. 4, No. 1, Juni 2007
listrik berkapasistas 462 KW, Koto Anau Solok (167KW), Mangani Pasaman (1.266KW), Muara Sako Pessel (2.724), Patimah Pasaman (862KW), Sikarbau Pasaman (770KW), dan Sungai Guntung Agam (654KW). Daerah lain yang potensial antara lain, Leter W Solok (7.500KW), Pintu Kayu Solok (4.000KW), Liki Solok (2.000), Sangir I Solok (10 ribu), Sangir II Solok (7.658), Kerambil Pessel (1.639), Lumbai Pessel (2.000), dan Batang Hari Muaro Sijunjung (1.466).Sedangkan lokasi yang berpotensi untuk pembangunan PLTMH berada di Liki Solok dengan kapasitas 60 KW, Jawi-Jawi Solok (60KW), Lubuk Gadang Solok (103KW), Batu Kambing Agam (238KW), Sigiran Malalak Agam (99KW), Tandikat Pariaman (185KW) serta belasan daerah lain.
ISSN 1829-8958
nyata dari lokasi termasuk total biaya dari pekerjaan sipil dan peralatan. Pada saat ini, bagaimanapun, adalah dianjurkan untuk menggunakan “Turbin Crossflow”, dimana disain dan pembuatannya di Indonesia, karena disain kelayakan dari “Turbin Crossflow” dapat dilakukan dengan menggunakan data model tes yang ada dan biaya perbandingannya rendah. Pada masa mendatang jenis-jenis turbin lain yang akan dipilih menjadi lebih luas karena jenis-jenis turbin lain juga dapat dibuat dengan disain kelayakan dan kemampuan pabrikasi di Indonesia dalam waktu dekat.
Upaya menambah pembangkit sebenarnya telah dilakukan pemerintah. Namun membutuhkan proses yang lama dan anggaran yang besar. Oleh karena itu, kerja sama dan partisipasi berbagai pihak sangat diperlukan untuk mengatasi krisis energy listrik ini. Untuk ikut berperan aktif mengatasi berbagai permasalahan keterbatasan sumber energi sebagaimana telah diuraikan di atas penulis mencoba mendisain sebuah Turbin Aliran Silang 2. TINJAUAN PUSTAKA Turbin air Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk pembangkit tenaga listrik.. Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Energi mekanis diubah dengan generator listrik menjadi tenaga listrik. Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi. Gambar 1 Jenis Penggunaan Turbin
Tabel 1 Pengelompokan Turbin Turbine Runner Impulse
Reaction
High Pelton Turgo Multi-jet Pelton
Head Pressure Medium Cross-flow Turgo Multi-jet Pelton Francis Pump-asTurbine
Kecepatan Spesifik dan Kecepatan Putaran dari Turbin Low Crossflow
Propeller Kaplan
Permilihan Jenis Turbin Keterangan singkat tentang kerakteristik, penjelasan dan gambar dari setiap jenis ditunjukan dalam ”Tabel (1)”. Kisaran penggunaan dari setiap tipe turbin ditunjukan dalam “Gambar (1)”. Mengacu pada tabel dan gambar tersebut, konsumen dapat memilih jenis turbin, mana yang paling sesuai untuk kondisi yang
Kecepatan spesifik adalah perbandingan antara kecepatan putaran dari dua runner secara geometrik yang sama satu dengan lainnya, dimana diambil dari kondisi hukum persamaan, dan kecepatan spesifik dari runner yang mirip dalam sebuah grup dengan kecepatan putaran diperoleh ketika satu runner memiliki head efektif H = 1 m dan daya output P = 1 kW. Adalah dapat dimengerti bahwa kecepatan spesifik adalah sebuah nilai numerik sebagai gambaran dari klasifikasi runner dihubungkan dengan tiga faktor yaitu head efektif, output turbin dan kecepatan putaran sebagai berikut:
Ns
N . P 1/ 2
H 5/ 4
… (1) 52
Perencanaan Turbin Cross Flow (Yanziwar)
dimana, Ns N P H Q
DeskripsiTurbin Cross Flow = Kecepatan spesifik = kecepatan putaran turbin (rpm) = Daya output turbin = Head Efektif = Debit (m3/s) = Efisiensi maksimum = 82% untuk turbin Peton = 82% untuk turbin Peton = 84% untuk turbin Francis = 77% untuk turbin Crossflow
(kw. m) (kW) (m)
Catatan: * 70% harus digunakan untuk setiap tipe dari turbin tipe Crossflow di Indonesia pada tahap sekarang karena efisiensi dari turbin di Indonesia sekarang tidak terlalu tinggi akibat kualitas fabrikasi.
Gambar 3 Turbin Cross Flow
Turbin Francis
: Ns-max ≤(20000/(H+20))+30
Turbin Cross Flow terdiri dari dua bagian utama, yaitu nozel dan runner turbin. Runner dibangun dari dua buah piringan atau disk paralel yang dihubungkan bersama-sama dengan beberapa buah rim berbentuk kurva yang tersusun secara seri. Nozel, berpenampang segiempat, memancarkan fluida bertekanan memasuki runner dengan sudut pancaran 16o terhadap tangen dari keliling dari roda runner. Bentuk dari pancaran adalah segi empat, melebar, dan tidak terlalu dalam memasuki rim. Air menumbuk sudu-sudu turbin atau rim (Gambar 4.9) yaitu, mengalir di atas sudu-sudu atau rim, meninggalkan sudu-sudu, dengan melewati ruang kosong di antara sisi bagian dalam rim. Air memasuki sudu-sudu atau rim pada sisi bagian dalam dan keluar pada sisi bagian luar atau bagian punggung rim.
Turbin Francis Horisontal
: Ns-max ≤ 3200H-2/3
Bentuk Pancaran Air melewati turbin
Kecepatan spesifik dari setiap turbin adalah dikhususkan dan dikisarkan menurut konstruksi dari setiap tipe dengan berdasarkan pada percobaan dan contoh-contoh pembuktian nyata. Batasan dari kecepatan spesifik turbin (Ns-max) dapat diperiksa dengan rumus berikut. Turbin Pelton
: Ns-max ≤ 85.49H-0.243
Turbin Crossflow
: Ns-max ≤ 650H-0.5
Turbin Propeller ≤(20000/(H+20))+50
: Ns-max
Turbin Tubular
: Ns-max ≤ (20000/(H+16))
Dengan asumsi bahwa pusat pancaran air memasuki runner turbin pada titik A (gambar 4.9) dengan sudut tangen terhadap keliling runner, diketahui bahwa kecepatan air sebelum memasuki turbin menjadi,
Catatan: H: Efektif Head Kisaran dari kecepatan spesifik turbin juga terlihat dalam “Gambar (2)”
… (2) V1 H C
= kecepatan absolut dari air = head atau ketinggian terjun air = koefisien kecepatan tergantung pada jenis nozel
Gambar 2 Kisaran dari kecepatan spesifik dengan tipe turbin Gambar 4 Bentuk dari air melewati roda turbin
53
Jurnal Teknik Mesin
Vol. 4, No. 1, Juni 2007
Kecepatan relatif air pada bagian sis masuk turbin, 1 , dapat diperoleh billa u1 , kecepatan keliling dari roda turbin pada titik di mana runner terpasang diketahui. Sedangkan 1 merupakan sudut antara dua buah kecepatan yang bekerja pada sisi masuk. Untuk mendapatkan efisiensi maksimum sudut dari kurva sudu-sudu harus sama atu mendekati sudut 1 . Bila AB merepresentasikan kurva sudu turbin, kecepatan relatif pada sisi keluar,
v
' 2,
dan
membentuk sudut dengan kecepatan keliling roda turbin pada titik tersebut. Kecepatan absolut air
ISSN 1829-8958
… (5) di mana merupakan koefisien empiris yang nilainya (kira-kira 0,98). Dari diagram kecepatan “Gambar (3) diperoleh persamaan, … (6) Dengan mensubstitusikan ”Persamaan (3), (4) dan (5)” ke dalam ”Persamaan (2) makan diperoleh daya output,
' 2
... (7)
' 2
V dapat ditentukan ' ' ' dengan terlebih dahulu mengetahui v 2 , 2 , dan u 2 . pada sisi keluar sudu turbin,
Sudut antara kecepatan absolut dan kecepatan roda
2' . Dengan asumsi tidak ' ada perubahan dalam kecepatan absolut V2 , titik C, turbin pada titik ini adalah
di mana air kembali memasuki rim dapat diketahui.
V2' pada titik ini menjadi V1' , dan bentuk absolut air pada sudu CD dari titik C ke titik D bagian sisi keluar dapat diperoleh dengan ketentuan,
Gambar 5 Bentuk aliran air melewati roda turbin
karena masing-masing sudut merupakan sudut yang berhubungan satu sama lain dalam sudu yang sama. Penting untuk diketahui bahwa tidak seluruh bentuk pancaran air sama dengan yang ditunjukkan di sini, karena bentuk dari beberapa partikel air cenderung melintang di dalam roda turbin sebagaimana ditunjukkan dalam “Gambar (4)”. Sudut pantulan
dan 1 akan menjadi maksimum pada sisi keluar dari setiap pancaran. “Gambar (5) menunjukkan perkiraan kondisi yang terjadi.
Daya pengereman dari turbin dapat diketahui dengan persamaan, ...(3) ”Persamaan (2)” dapat disederhanakan dengan memplot segitiga kecepatan pada ”Gambar (10) , sehingga diperoleh, ...(4) mengabaikan
Daya teoritis input yang di sebabkan tinggi jatuh air, H1 … (8)
Efisiensi turbin
dengan
Gambar 6 Diagram segitiga kecepatan
terjadinya
peningkatan
kecepatan air yang diakibatkan tinggi jatuh h2 ”Gambar (11), yang mana nilainya kecil pada kebanyakan kasus yang ditemukan diperoleh,
Efisiensi, e yaitu rasio antara daya output dan input, … (9) apabila, ..(10) Dengan menganggap seluruh variabel konstan, selain efisiensi dan
u1
V1
dan mendiferensialkan dan
menyamakan menjadi nol, maka ... (11) 54
Perencanaan Turbin Cross Flow (Yanziwar)
dan untuk efisiensi maksimum dapat dituliskan sebagai, ... (12) Dapat dicatat bahwa (lihat ”Gambar (13)” bahwa arah dari
Proporsi Konstruksi Turbin Sudut Sudu turbin Sudut sudu turbin 1 , dapat ditentukan dari 1 dan
u1 dalam ”Gambar (9). dan (11)”.
V2 apabila
Hanya apabila dan C seragam, yaitu, dengan asumsi tidak ada kerugian gesekan dalam nozel atau pada permukaan sudu turbin. Untuk memperoleh efisiensi mekanik yang lebih tinggi, sudut pemasukan
1 haruslah sekecil mungkin, dan sudut 16 0 dapat diperoleh untuk 1 dengan tanpa mengalami air
kesulitan. Untuk harga ini
Dengan
mensubstitusikan ”Persamaan (12)”, efisiensi maksimum akan menjadi 87,8%. Karena efisiensi dari nozel bervariasi sebagaimana koefisien, sangat diperlukan perencanaan yang hati-hati untuk mencegah kerugian gesekan pada bagian ini. Ada kerugian hidrolis sebagai akibat dari tumbukan air di sekitar sisi masuk dan sisi keluar runner turbin. Kerugian lain terbilang kecil, menurut hasil perhitungan yang telah pernah dibuat sebelumnya, ketebalan asli dari pancaran, s 0 , “Gambar (13)”, meningkat hingga 1,90, yang berarti bahwa kira-kira 72% dari keseluruhan energi yang diberikan tumbukan air terhada sudu turbin berasal dari luar dan 28 % hilang dalam air dan menyebabkan pada bagian-bagian lain di sekitar yang dilalui air. Jika jumlah sudu turbin tepat dan sudusudu tersebut setipis dan dan sehalus mungkin koefisien mungkin bisa mencapai angka 0,98
u1
Jika
tidak radial. Aliran keluar akan menjadi radial, … (13)
,V1
1 V1 cos 1 2
… (14)
kemudian ... (15) dengan asumsi
, kemudian
Sudut antara sudu turbin bagian dalam dan terhadap sudu turbin bagian dalam 2 dapat ditentukan dengan mengikuti sebagaimana ditunjukkan pada ”Gambar (8). Gambar kedua segitiga kecepatan dengan menggerakkan kedua sudu turbin secara bersamaan sehingga titik C jatuh pada titi B dan tangen berhimpit. Dengan asumsi kecepatan masuk dan kecepatan keluar absolut adalah sama dan karena segitiga kecepatan adalah sebangun dan 2 dan 1 jatuh dalam arah yang sama. '
'
Dengan asumsi tidak ada kerugian tumbukan pada sisi masuk roda turbin pada titik 2 90 , maka, ujung bagian dalam dari sudu turbin pasti membentuk radial. Perbedaan sudut kemiringan antara B dan C (sisi keluar dan sisi masuk roda '
'
turbin) V1 bisa berbeda dari kerugian di antara dua titik ini.
0
V2' jika tidak ada … (16)
Dengan asumsi (”Gambar (9a)) 1 tidak akan berhimpit dengan sudut sudu turbin dan akibatnya akan terjadi kerugian akibat tumbukan tiba-tiba. Untuk mengatasi hal ini 2 harus lebih '
0
besar dari 90 . Perbedaan tergolong kecil karena menggunakan sudut
h2
V2' dan V1' masih kecil. Sehingga 2
0
90 dalam banyak kasus.
B. Lebar Rim Radial Dengan mengabaikan ketebalan sudu turbin, ketebalan s1 “Gambar (8), dari pancaran sisi masuk, diukur pada sudut bagian kanan terhadap kecepatan relatif yang diberikan dengan jarak antar sudu t … (17) Gambar 7 Jarak antara sudu turbin
55
Jurnal Teknik Mesin
Vol. 4, No. 1, Juni 2007
ISSN 1829-8958
Tidak dapat diterima terhadap adanya peningkatan lebar rim a melampaui limit ini karena jumlah air yang menumbuk sudu turbin tidak dapat mengalir melewati penampang yang terlalu kecil dan akan mengakibatkan tekanan balik. Sebaliknya, lebar rim yang berada di dibawah batas ini akan tidak efisien karena pancaran air yang tidak utuh akan mengalir keluar di antara sudu turbin bagian dalam. … (20) atau
namun, …(21) Gambar 8 Diagram kecepatan gabungan
dan Dengan, (22) Jika
kecepatan
ideal
roda
turbin
adalah Selanjutnya, Dengan asumsi,
… (23)
Kemudian,
Dan “Persamaan (20)” menjadi,
Gambar 9 Diagram kecepatan
Dengan asumsi jarak antara sudu pada bagian dalam sisi keluar roda turbin diketahui untuk setiap lebar dari rim, a , … (18) Karena lebar rim, a kecil jarak di antara sudu turbin tidak akan terisi oleh pancaran air. Bersamaan dengan bertambahnya lebar rim a s 2 mengalami penurunan sehingga a dibatasi oleh persamaan, … (19)
Sehingga,
lebar rim radial
D1 = diameter luar dari roda turbin Nilai dari a ini, lebar dari rim radial, secara grafis dapat ditentukan dari persekutuan dua kurva (“Gambar (8)”) ... (24) dan ... (25) 56
Perencanaan Turbin Cross Flow (Yanziwar)
sudut sentral bOC , ”Gambar (18), dapat ditentukan dari ”Persamaan (18)” dan
Karena
Selanjutnya menjadi ... (33)
Dalam kasus yang masih sama jarak y 2 , yaitu jarak antara lengkungan terluar dari jet dan dinding bagian dalam, dapat ditentukan dengan, … (34)
... (26) ... (27)
Untuk kasus di mana poros tidak terpasang melewati roda rurbin, batasnya hanya menggunkan y 2 Untuk kebanyakan kasus ,
Sehingga, …(28)
Diameter roda turbin Diameter roda dapat ditentukan dengan persamaam berikut, … (35)
(36)
D1 adalah diameter dari roda turbin dalam 0 inchi dan 16 dan C 0,98 Dimana
… (37) Gambar 10 Bentuk jet roda turbin bagian dalam
Ketebalan dari jet y pada bagian dalam roda turbin dapat dihitung dari persamaan kontinutas aliran (“Gambar (11)”) … (29)
Ketebalan
s 0 dari jet dalam nozel tergantung pada
pemilihan dua kondisi. Harga yang besar untuk s 0 akan sangat menguntungkan karena kerugian yang disebabkan proses pengisian dan pengosongan air dari roda turbin akan sangat kecil. Untuk mendapatkan lebar dari roda turbin digunakan persamaan,
L , dapat
… (38)
Sehingga, … (30)
… (39) … (31) Jarak antara lengkungan dari jet bagian dalam yang mana akan melewati roda turbin dan poros turbin, y1 (Gambar 4.17)
… (40) dimana
... (32) 57
Jurnal Teknik Mesin
Vol. 4, No. 1, Juni 2007
ISSN 1829-8958
Bentuk dari sudu turbin
Rumah Tubin dan Nozel
Bentuk dari sudu dapat dipilih dari lingkaran yang titik pusatnya terletak pada persekutuan dua buah garis yangsaling bersinggungan, satu terhadap kecepatan relatif v1 pada titik A dan yang lainnya dalam arah tangensial terhadap sudut terluar yang bersekutu pada titik B , “Gambar (18)”
Rumah utama TCF tebuat dari enam potong plate tebal 10 mm yang bisa menahan tekanan dari head ketinggian tertentu, termasuk yang digunakan untuk nozel. Ada dua plat pendukung pada bagian sisi samping, satu plat berbentuk kuva pada bagian atas, dan satu plat pada bagian bawah yang dibuat mengikuti bentuk nozel dan satu pada bagian depan dan satu lagi pada bagian belakang yang dibuat membentuk bagian bawah rumah turbin dan dihubungkan dengan pipa pengarah. Nozel dan plat rumah turbin bervariasi menurut lebar roda tubin sehingga perlu distandarisasi sedemikian rupa. turbin
Dari segitiga AOC dan BOC , yang terpenting,
CO merupakan
Sehingga, tetapi
apabila
… (41) Sudut pusat Sudu Turbin
Bentuk Geometri dari TCF tediri dari tiga komponen utama: impeler, rumah turbin berbentuk semi spiral, dan sudu wicket gate (udu pengarah). Prinsip kerjanya, sama sepeti pada turbin aksi, yaitu berdasakan pemanfaatan energi kinetik yang diarahkan menuju impeler oleh sudu wicket gate (sudu pengarah). Rumah turbin berbentuk semi spiral merupakan bagian penting dari turbin. Fungsinya untuk mengarahkan air menuju turbin dengan sudut tertentu, yang bisa mengurangi adanya kerugian energi. Sudu wicket gate dibuat mengikuti bentuk rumah tubin yang membentuk semi spiral, untuk mengatur aliran masuk. Disamping nozel, dari sisi hidrolis, bagian terpenting konstruksi wicket gate (sudu pengarah) adalah sudu yang dibentuk dengan kontur hidrolis, dibuat membentuk suatu konsul, yang pada bagian ujungnya melingkar. Bentuk geometri laluan air pada turbin di berikan pada “Gambar (12)”
Gambar 12 Layout Nozel
3. RUANG LINGKUP PERENCANAAN
Gambar 11 Bentuk kurva sudu turbin
Penelitian ini dibatasi pada perencanaan Turbin Cross Flow (TCF) dengan head efektif H = 10 m, 58
Perencanaan Turbin Cross Flow (Yanziwar)
Debit air tersedia, Q = 500 l/s membangkitkitkan energi listik >25 kVA.
untuk
4. HASIL PERENCANAAN DAN PEMBAHASAN Sudu wicket gate rumah spiral runner
Berdasarkan nilai-nilai parameter yang diperoleh dari hasil perencanaan sebagaimana dimuat dalam “Tabel (1), (2), dan (3)’ diketahui bahwa daya >25 kVA telah bisa dicapai pada Head efektif 9 m dengan debit 0,5 m3/s, akan tetapi dengan pertimbangan kemungkinan kekurang presisian proses manufaktu turbin maka akan lebih baik kalau yang dijadikan sebagai dasar perencanaan TCF head efektif 10 m dengan Q = 0.5 m3/s. Secara grafis hubungan antara debit dengan daya output yang dapat dibangkitkan TCF adalah sebagai berikut, 35 y = 58.557x 30 y = 52.701x
Pg (kW)
25
Gambar 13 Sistem komponen turbin
10
15
16
17
20
1
160.575
151.813
150.166
148.556
143.948
Selanjutnya, berdasar analisa yang dilakukan terhadap beberapa Head efektif dan debit air diperoleh nilai berturut-turut : daya mekanik (Ps), kecepatan putar turbin (n), kecepatan spesifik turbin(ns), daya output generator pada terminal generator (Pg), dan nilai minimal output generator yang digunakan ( PkVA), Tabel 1 Data Variasi Head efektif dan debit air 0,1 m3/s Ht (m)
Q(m3/s)
P (kW)
n (rpm)
8
0.1
5.49
376.18
65.50
4.68
5.86
9
0.1
6.17
399.00
63.60
5.27
6.59
10
0.1
6.86
420.58
61.95
5.86
7.32
Pg
PkVa
Tabel 2 Data Variasi Head efektif dan debit air 0,2 m3/s Ht (m)
Q(m3/s)
P (kW)
n (rpm)
ns (rpm)
8
0.2
10.98
376.18
92.63
9.37
11.71
9
0.2
12.35
399.00
89.94
10.54
13.18
10
0.2
13.72
420.58
87.60
11.71
14.64
Pg
PkVa
Tabel 3 Data Variasi Head efektif dan debit air 0,5 m3/s Ht (m)
Q(m3/s)
P (kW)
n (rpm)
ns (rpm)
8 9
0.5
27.44
376.18
146.46
23.42
29.28
0.5
30.87
399.00
142.21
26.35
32.94
10
0.5
34.30
420.58
138.52
29.28
36.60
Pg
y = 46.846x + 1E-14
15 10
Menurut Barglazan sudut aliran fluida memasuki sudu turbin dapat dipilih pada range angka 1 = 10o 20o sehingga, setelah dianalisa diperoleh harga masing-masing sebagai berikut,
ns (rpm)
20
PkVa
5 0 0
0.1
H=8m Linear (H=10m)
0.2
0.3
0.4
Q (m 3/s) H=9m Linear (H=9m)
0.5
0.6
H=10m Linear (H=8m)
Gambar 14 Grafik hubungan debit dengan Daya output pada generator
Dari ”Gambar (14)” dapat diketahui bahwa hubungan antara debit air dengan daya output yang dapat dibangkitkan generator dapat dituliskan dalam suatu bentuk persamaan, H = 8 m,
Pg 46,846Q 10 14
kW
H = 9 m,
Pg 52,701Q
kW
H = 10 m,
Pg 58,557Q
kW
Menurut Mockmore, untuk memperoleh efisiensi mekanik yang tinggi sebaiknya sudut 1 dipilih sekecil mungkin. Untuk penelitian ini dipilih sudut aliran fluida memasuki sudu turbin 1 =16o . Pada saat ini ada tiga diameter standar roda turbin yang banyak diproduksi yaitu: 300 mm, 400 mm, dan 450 mm. berdasarkan ketiga diameter standar tersebut dianalisa beberapa parameter penting dalam perencanaan turbin pada head 10 m sebagai berikut, Tabel 4 Parameter penting dalam perencanaan turbin pada head 10 m Kec.Runner (n)rpm Diameter Runner (D)-mm 300
Panjang Runner (L) - mm 200
300
400
500
418.03
418.03
418.03
418.03
400
313.53
313.53
313.53
313.53
450
278.69
278.69
278.69
278.69
59
Jurnal Teknik Mesin
Vol. 4, No. 1, Juni 2007
ISSN 1829-8958
12 y = 54.428x - 8.3903
Tabel 5 Parameter Debit
y = 11.832x + 2.2632
Panjang Runner (L) - mm 200
300
8
400
500
0.253
0.3795
0.506
0.6325
400
0.3373
0.506
0.6747
0.8433
450
0.3795
0.5692
0.759
0.9487
H (m)
Debit(Q)-m3/s Diameter Runner (D)-mm 300
y = 32.253x - 8.3903
4
0 0
Tabel 6 Parameter Daya mekanik Daya mekanik(Ps)-kW Diameter Runner (D)-mm 300
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
300mm/500mm 450/300 Linear (400mm/200mm) Linear (450/300)
Panjang Runner (L) - mm 200
300
400
500
17.36
26.03
34.71
43.39
400
23.14
34.71
46.28
57.85
450
26.03
39.05
52.07
65.08
Tabel 7 Parameter Daya generator
0.8
0.9
1
400mm/200mm Linear (300mm/500mm) Linear (400mm/200mm)
Berdasarkan analisa yang dilakukan terhadap “Gambar (15)”, diketahui bahwa untuk diameter roda turbin (runner) standar : 300 mm, 400 mm dan 450 mm untuk mencapai efisiensi maksimum untuk setiap ketinggian H diperlukan debit aliran Q sebagaimana direpresentasikan dengan persamaan berikut,
200
300
400
500
14.81
22.22
29.63
37.04
400
19.75
29.63
39.51
49.38
D = 400mm dan L = 200 mm,
450
22.22
33.33
44.44
55.56
H 54,428Q 8,39
Panjang Runner (L) - mm
Untuk D = 300mm dan L = 500 mm,
H 11,832Q 2.26
(meter) dan,
(meter) dan,
D = 450mm dan L =300 mm,
Tabel 8 Parameter nilai generator
H 32,253Q 8,39
Panjang Runner (L) - mm
(meter)
5. KESIMPULAN
200
300
400
500
18.52
27.78
37.04
46.30
400
24.69
37.04
49.38
61.73
450
27.78
41.67
55.56
69.44
Tabel 9 Parameter pemilihan transmisi Pemilihan transmisi rpm Diameter Runner (D)-mm 300
0.7
Gambar 15 Hubungan Q dan H
Daya Generator(Pg)-kW Diameter Runner (D)-mm 300
Nilai Generator(Pkva)kW Diameter Runner (D)-mm 300
0.6
Q (m 3/s)
Jumlah kutup generator 500
750
1000
1500
12
8
6
4
1.20
1.79
2.39
3.59
400
1.59
2.39
3.19
4.78
450
1.79
2.69
3.59
5.38
Berdasarkan analisa yang dilakukan untuk memperoleh daya listrik >25 kVA sesuai dengan perencanaan maka dipeoleh nilai-nilai parameter hasil perencanaan sebagai berikut, Parameter Turbin Head (H) Debit Aliran (Q) Daya Mekanik (Ps) Kecepatan Putar (n) Kecepatan Spesifik (ns) Sudut akses Aliran (a) Diameter Luar Runner (D1) Diameter dalam runner (D2) Rasio diameter (D2/D1) Kecepatan absolut aliran (v1) Kecepatan tangensial (u1) Sudut sudu pada pemasukan (1) Sudut sudu bagian dalam (2 = 3 ) Sudut sudu bagian luar (4) Sudut senter ()
Nilai 10 0.5 34.3 420.583 138.52 16 0.299 0.199 0.665 13.727 6.602 151.524 90 28.475 73.37
m m3/s kW rpm rpm o
m m m/s m/s o o o o
60
Perencanaan Turbin Cross Flow (Yanziwar)
Efisiensi keseluruhan (T) Efisiensi Hidrolis (h) Jumlah Sudu (z) Lebar runner (L) Diameter Poros (D) Bukaan Nozel (So) Radius kelengkungan sudu (s) Lebar saluran masuk (bo) Daya output generator (Pg) Nilai output generator yang digunakan (PkVA) Jarak Antara sudu (t) Jarak antara sudu pada sisi masuk bag. luar (S1) Jarak sudu sisi keluar bag. dlm (S2)
0.89 0.892 18 0.466 0.0628 0.0349 0.049 0.57285 29.2785
buah m m m m m kW
36.5981 0.052
kW m
0.026 0.01729
m m
PUSTAKA 1.
Bryer, D. W. and Pankhurst, R. C. Pressureprobe methods for determining wind speed and flow direction, National Physical Laboratory, Her Majesty’s Stationery Office, Department of Trade and Industry, London, U.K, 1971
2.
Durgin, W. W. and Fay, W. K, Some Fluid Flow Characteristics of a Cross-Flow Type Hydraulic Turbine, Small Hydropower Fluid Machinery, Winter Annual Meeting of A.S.M.E., New Orleans, USA, 1984
3.
Fiuzat, A. A. and Akerkar, B. P, Power Outputs of Two Stages of Cross-Flow Turbine, Journal of Energy Engineering, ASCE, Vol. 117, Nº 2, pp. 57-70, 1991
4.
Jacobs, M. L., Air concentration meter electronics package manual, Project Notes 845098-01, U.S. Department of Interior, Bureau of Reclamation, Denver, USA, 1997
61
