Analisa Turbin Pelton

Analisa Turbin Pelton

Berskala Mikro Pada Pembuatan Instalasi Uji Laboratorium

A. Pendahuluan

Turbin Pelton adalah mesin penggerak, dimana energi fluida kerja dipergunakan langsung untuk memutar roda turbin. Dari prinsip kerjanya , turbin dapat dikatakan sebagai mesin yang digerakkan oleh fluida yang berdensity konstan.

Pemakaian turbin sangat luas baik di dunia industri maupun kehidupan sehari-hari. Suatu turbin didesain dan disesuaikan dengan instalasi serta keadaan di lapangan, sehingga untuk mendesain turbinnya pada kondisi tertentu sehingga pemanfaatannya lebih fleksibel dan lebih luas.

Turbin air merupakan suatu peralatan konversi energi fluida kerja air, dan proses yang terjadi adalah perubahan energi kinetik air menjadi energi mekanis yang berupa putaran poros. Turbin air mengalami kemajuan dan perkembangan yang sangat pesat seiring dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi

B. Landasan Teori

1.   Prinsip Kerja Turbin

Tubin adalah mesin penggerak, dimana energi fluida kerja dipergunakan langsung untuk memutar roda turbin. Tubin dapat bergerak apabila ada energi dari fluida yang menggerakannya. Dari prinsip kerjanya, turbin dapat dikatakan sebagai mesin yang digerakkan oleh fluida yang ber-density konstan.. Aliran fluida yang terjadi pada turbin adalah aliran incompressible, yaitu aliran dengan Mach number M ≤ 0,3. Tubin air dapat diklasifikasikan menjadi dua macam, yaitu :

Ø  Tubin aksi ( turbin impuls), contoh : turbin pelton

Ø  Turbin reaksi, contoh : turbin francis (tipe radial) dan turbin kaplan (tipe aksial)

Perbedaan antara turbin aksi dan reaksi adalah bahwa pada tubin aksi, perubahan momentum atau ekspansi dari fluida kerjaterjadi pada nozzle atau diluar roda sudu, sedang pada turbin reaksi terjadi pada permukaan lengkung sudunya.

2.   Pengelompokan Turbin

Turbin dikelompokkan menjadi beberapa jenis yaitu Turbin Air, Turbin Uap Air, dan Turbin Gas dapat digunakan sebagai fluida kerja turbin. Maka turbin diberi namasesuai dengan jenis fluida kerjanya. Dengan demikian, turbin uap, turbin gas dan turbin air berturut-turut adalah turbin dengan uap, gas, dan air sebagai fluida kerja.

Oleh karena karakteristik uap, gas, dan air tidak sama, maka kondisi operasi dan karakteristik turbin uap, turbi gas, dan turbin air juga berbeda, masing-masing mempunyai ciri, keuntungan, kerugian serta kegunaan yang khas.

Gambar 2.1 Bagan Klasifikasi Turbin

3.   Turbin Pelton

a)    Pengenalan Turbin Pelton

Bersama turbin Turgo dan turbin aliran silang (TAS), turbin pelton termasuk dalam turbin Impuls. Karakteristik umumnya adalah pemasukan sebagian aliran air kedalam raner pada tekanan atmosfir. Pada turbin Pelton puntiran terjadi akibat pembelokan pancaran air pada mangkok ganda raner (lihat gambar 2.2), oleh karenanya turbin Pelton juga disebut turbin Pancaran Bebas.

Gambar 2.2 Pembelokan Pancaran

Turbin ini ditemukan sekitar tahun 1880 oleh seorang Amerika yang namanya dikenal sebagai nama turbin ini. Penyempurnaan terbesar yang dilakukan Pelton yakni dengan menerapkan mangkok ganda simetris. Bentuk ini hingga sekarang pada dasarnya tetap berlaku. Punggung pembelah membagi jet menjadi dua paruh yang sama, yang dibelokkan menyamping.

b)   Prinsip Dasar turbin Pelton

Turbin Pelton merupakan turbin impuls, yang prisip kerjanya mengubah energipotensial air menjadi energi kinetik dalam bentuk pancaran air. Pancaran air yang keluar dari mulut nozzle diterima oleh sudu-sudu pada roda jalan sehingga roda jalan berputar. Dari putaran inilah menghasilkan energi mekanik yang memutar poros generator sehingga menghasilkan energi listrik.

c)    Komponen-komponen Utama Turbin Pelton

Turbin Pelton mempunyai tiga komponen utama yaitu :

Ø  Sudu Turbin

Sudu turbin ini berbentuk mangkok, yang dipasang disekeliling roda jalan (raner). Setiap pemotongan pancaran air oleh mangkok pada umumnya gangguan atas pancaran tersebut. Mendadak dan tanpa diinginkan sebagian aliran membentur dan terbelokkan. Untuk menambah panjangnya usia raner, digunakan bahan mangkok yang lebih baik mutunya, misalnya baja tahan karat.

Ø  Nozzle

Nozzle ini berfungsi untuk mengarahkan pancaran air ke sudu-sudu turbin dan mengatur kapasitas air yang masuk ke turbin. Pada turbin pelton mungkin dikonstruksikan dengan nozzle lebih dari satu buah. Pada poros mendatar dilengkapi satu atau dua nozzle, sedang yang berporos tegak mempunyai sampai 6 buah.

Ø  Rumah Turbin

Rumah Turbin ini berfungsi sebagai tempat kedudukan roda jalan dan penahan air yang keluar dari sudu-sudu turbin. Agar raner tidak terendam, rumah turbin harus cukup tinggi diatas muka air pacu-buri. Konstruksinya harus cukup kuat untuk perlindungan seputar darikemungkinan mangkok atau raner rusak dan terlempar saat turbin beroperasi.

d)   Pemilihan Jenis Turbin

Faktor penting yang harus dipikirkan dalam pemilihan jenis turbin ini adalah :

Ø  Tinggi Jatuh Air (H)

Tinggi jatuh air total diambil dari selisih tinggi permukaan air di kolam tando dengan tinggi air dipembuangan. Pengaruh tinggi jatuh air (H) terhadap parameter lain turbin pelton adalah :

·         Berbanding lurus dengan daya teoritis (Pt). 

·         Berbanding lurus dengan daya efektif (Pe). 

·         Hampir tidak berpengaruh terhadap efisiensi.

Ø  Debit Aliran (Q)

Debit aliran adalah jumlah air yang mengalir melalui turbin dalam m³/det.

·         Berbanding lurus dengan daya teoritis (Pt). 

·         Berbanding lurus dengan daya efektif (Pe).

·         Mempengaruhi efisiensi dalam bentuk hubungan parabola.

Ø  Kecepatan Putaran (n)

Kecepatan poros turbin (dalam rpm) harus disesuaikan dengan kecepatan generator yang akan dibangkitkannya. Pengaruh putaran (n) terhadap parameter lain turbin pelton adalah :

·         Tidak berpengaruh terhadap daya teoritis (Pt). 

·         Mempengaruhi daya efektif (Pe) dalam bentuk parabola samapai mencapai harga nol. 

·         Mempengeruhi efisiensi total (ɳt)

·         Tidak mempengaruhi terhadap debit aliran (Q).

Ø  Daya (P)

Besar daya yang akan dibangkitkan juga menentukan jenis turbin yang digunakan, dimana 1 KW = 1,36 HP. Faktor-faktor diatas dapat dirumuskan dalam suatu persamaan yang disebut kecepatan spesifik yang dapat digunakan untuk pemilihan turbin.

Kecepatan Spesifik:

Dimana P dalam satuan HP

Untuk satuan SI, maka daya P dikali dengan 1,36

Untuk menentukan jenis turbin dapat digunakan tabel 2.1

Tabel 2.1 Pemilihan Jenis Turbin Berdasarkan

Ns (rpm)	Jenis Turbin
4-35	Turbin Pelton dengan 1 nozzle
17-50	Turbin Pelton dengan 2 nozzle
24-70	Turbin Pelton dengan 3 nozzle
80-120	Turbin Francis dengan putaran rendah
120-220	Turbin Francis dengan putaran normal
220-350	Turbin Francis dengan putaran tinggi
350-430	Turbin Francis dengan putaran ekspres
300-1000	Turbin Propeller dan Turbin Kaplan

e)    Karakteristik Turbin Pelton

Suatu mesin selalu di disain untuk bekerja dibawah kondisi kerja yang diizinkan. Suatu turbin mungkin di disain untuk beberapa faktor penting sepertihead (H), debit aliran (Q), putaran (n) dan daya (P), tetapi dalam prakteknya mungkin harus bekerja pada kondisi yang berbeda dari kondisi disainnya. Oleh sebab unjuk kerja pada kondisi-kondisi yang bervariasi perlu diketahui, dengan melakukan pengujian terhadap model turbin di laboratorium. Grafik yang ditampilkan dalam bentuk kurva-kurva disebut Karakteristik Turbin.

4.   Kerugian Gesekan (Head Loss) Pada Turbin Pelton

a)     Head Losses Pada Turbin Pelton

Head losses merupakaan rugi-rugi energi yang terjadi pada instalasi turbin air sehingga energi output turbin berkurang.

b)   KerugianMayor (Head Loss Mayor ) (hL ):

Kerugian mayor adalah kerugian gesekan sepanjang aliran (pipa).

Besarnya faktor gesekan tergantung pada :

o   Kecepatan aliran fluida dalam pipa (V). 

o   Diameter pipa (D). 

o   Massa density (ρ).

o   Viskositas kinematik (v). 

o   Faktor kekasaran suatu bahan (ε).

Pada besaran-besaran yang disusun dalam satu cara untuk membuatnya tanpa dimensi diantaranya :

o   Bilangan Reynold (V. D. / v). 

o   Faktor kekasaran (ε / D).

Untuk mengetahui faktor gesekan pada aliran laminer, dapat digunakan rumus :

 

c)    Kerugian Minor (Head Loss Minor) (hLm ):

Kerugian minor adalah kerugian gesekan yang disebabkan oleh:

o   Katup

o   Belokan

o   Pembesaran mendadak

o   Pengecilan mendadak

o   Pembesaran perlahan

o   Pembesaran tiba-tiba

d)   Perhitumgan Daya Fluida / Air (WHP)

Water Horse Power (WHP) adalah daya indikatif yang diberikan oleh fluida kepada sudu-sudu turbin. WHP merupakan energi yang dimiliki oleh air dalam bentuk velocity head (head tirbin) yang nantinya akan diubah menjadi energi poros.

 

e)    Perhitungan Daya Poros (BHP)

Brake Horse Power (BHP) adalah merupakan daya efektif yang diterima oleh poros turbin dari fluida yang melalui sudu-sudu turbin. BHPdiukur dari rem prony dengan cara mengukur torsi pada poros.

Putaran poros akan menimbulkan torsi yang diukur melalui gaya yang dihasilkan pada titik terluar poros. Gaya ini terbaca sebagai beban (load).

f)      Perhitungan Efisiensi Turbin ( ɳt )

Efisiensi turbin adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan pada poros turbin (N shaft)  dengan daya yang diberikan oleh fluida (N fluida). Efisiensi turbin menyatakan kemampuan turbin untuk mengubah energi fluida menjadi energi yang berguna pada poros turbin. Dirumuskan :

 

C.  Instalasi Turbin Pelton

1.   Proses Instalasi

Dalam bab ini menjelaskan tentang proses instalasi turbin pelton berskala mikro pada pembuatan instalasi uji laboratorium, dimana proses dari awal sampai turbin dapat berputar dimulai dari bekerjanya pompa yang menghasilkan daya putar yang kemudian menghisap air dari bak penampungan yang dialirkan melalui pipa-pipa sehingga air tersebut menyemprotkan kearah turbin sehingga turbin dapat berputar. Untuk mendapatkan putaran rpm pada turbin yang berbeda dapat diatur melalui tegangan regulator dimana tegangannya adalah 200,220,240 volt.

Gambar 1. Instalasi Turbin Pelton

2.   Perencanaan

Dalam proses perencanaan dimaksudkan untuk membandingkan seberapa besar penyimpangan-penyimpangan yang terjadi pada turbin dari data-data rancangan yang telah dibuat. Pada proses perencanaan terdapat 2 langkah yang harus dilakukan yaitu perencanaan dengan menggambar berikut dimensinya dan perencanaan dengan matematis.

3.    Proses Pengaliran Air

Pada proses instalasi pembuatan uji laboratorium, dimana untuk mengalirkan air sangat membutuhkan suatu alat yang mampu mengalirkan air dimana alat tersebut adalah pompa sentrifugal. Pompa tersebut digunakan untuk menghisap atau memompakan air dari bak penampung dengan temperature 25ºC, selanjutnya air yang telah di pompa akan mengalir melalui pipa menuju nozel yang kemudian nozel tersebut menyemprotkan air ke turbin sehingga turbin tersebut berputar dan airnya kembali ke bak penampungan.

4)   Metode Pengujian

Metode pengujian dibuat untuk mempermudah dalam melakukan pengujian pada instalasi turbin Pelton. Pengujian yang dilakukan termasuk pengujian eksperimen karena alat uji yang dirancang dan dibuat sendiri dengan membandingkan dimensi komponen yang sudah ada. Didalam metode pengujian terdapat beberapa prosedur yang harus diperhatikan, prosedur tersebut yaitu :

o   Prosedur persiapan alat uji dan alat ukur

o   Prosedur pelaksanaan pengujian. 

o   Prosedur selesai pengujian.

a)     Prosedur Persiapan Alat Uji dan Alat Ukur

Prosedur persiapan alat uji dan alat ukur dilakukan dengan beberapa langkah, antara lain yaitu :

o   Persiapan alat uji, yaitu instalasi turbin pelton.

o   Persiapan alat ukur, seperti : regulator, manometer, tachometer, neraca untuk mengukur beban dan air untuk mengisi reservoir. Spesifikasi alat ukur adalah sebagai berikut :