Turbin

SEMESTER GENAP 2014/2015

1

LAPORAN PRAKTIKUM TURBIN AIR FRANCIS

LABORATORIUM MESIN-MESIN FLUIDA

TEKNIK MESIN UNIVERSITAS BRAWIJAYA

BAB I

PENGUJIAN TURBIN AIR FRANCIS

1.1 Pendahuluan

1.1.1 Tinjauan Umum

Praktikan sangat membantu dalam mendapatkan gambaran yang nyata tentang

alat/mesin yang telah dipelajari di bangku kuliah. Dengan demikian dalam praktikum

turbin air, mahasiswa (praktikan) selain dapat melihat proses kerja yang sesungguhnya,

mereka juga akan mendapatkan ingatan yang tidak mudah hilang tentang turbin air.

Khususnya tipe francis dimana cara kerjanya merupakan salah satu hal yang harus

dikuasai. Untuk itu dalam praktikum ini, praktikan diharapkan aktif dan menguasai

terlebih dahulu dasar-dasar praktikum yang akan dilakukan. Peran praktikan juga

sangat penting dalam hal ide atau saran baik berbentuk lisan maupun tulisan jika

menemukan adanya keganjilan atau ketidaksempurnaan demi kemajuan bersama.

1.1.2 Tinjauan Percobaan

1. Memperoleh grafik yang menunjukkan hubungan antara daya yang dapat

dibangkitkan turbin terhadap kecepatan putar turbin pada head konstan.

2. Memperoleh grafik yang menunjukkan hubungan antar efisiensi terhadap kecepatan

putar turbin pada head konstan.

3. Mengetahui grafik hubungan efisiensi terhadap kecepatan putaran turbin pada

variasi guide vane berbeda.

4. Mampu melakukan analisa hasil pengujian.

1.2 Tinjauan Pustaka

1.2.1Dasar Teori Turbin Air

1.2.1.1 Pengertian Turbin Air

Turbin air adalah suatu mesin konversi energi yang berfungsi mengkonversikan

atau mengubah bentuk energi potensial (head) yang dimiliki air ke bentuk energi

mekanik pada poros turbin. Energi potensial yang tersimpan pada fluida yang diam

pada ketinggian tertentu dapat menjadi energi kinetik pada waktu air masuk ke guide

vane, sebagian dari energi jatuh atau tinggi jatuh (head) yang telah bekerja di dalam

guide vane (GV) diubah menjadi kecepatan arus masuk (energi kinetik). Energi yang


2




berbentuk tersebut nantinya digunakan untuk memutar turbin dari turbin memutar poros

yang dihubungkan ke generator.

Gambar 1.1Instalasi turbin air

Sumber: Dietzel (1996:17)

1.2.1.2 Klasifikasi Turbin Air dan Aplikasi Kerjanya

1. Turbin impuls

Turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya merubah energi potensial

air (yang terdiri dari energi potensial, energi tekanan dan energi kecepatan) yang

tersedia menjadi energi mekanik yang memutar turbin. Energi potensial air diubah

menjadi energi kinetik pada nozle. Air keluar nozzle yang mempunyai kecepatan

tinggi membentur sudu turbin.dan tekanannya pun tidak berubah saat melalui runner

dan keluar dari runner (konstan). Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran

berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). akibatnya roda turbin

akan berputar

Macam–macam turbin impuls :

a. Turbin Pelton

Turbin ini memiliki 2 bagian utama yaitu runner dan nozzle. Runner

terdiri dari poros 1 tangki, piringan dan beberapa mangkuk turbin pelton terutama

digunakan untuk memanfaatkan potensi hidro tinggi (>70 m ) dengan aliran kecil.


3




Gambar 1.2Turbin pelton

Sumber: dixson S.L(2010:310)

b. Turbin Michael Banki

Turbin jenis ini sering disebut dengan turbin arus lintang (cross flow),

karena fluida yaitu air menggerakkan sudu runner melewati pengarah sehingga

seolah-olah terdapat fluida yang datang dari aliran yang berbeda.

Turbin Michell-Banki terdiri dari runner, dan nozzle. Prinsip kerjanya

yaitu air yang keluar dari nozzle ditumbukkan ke runner sehingga terjadi

perubahan energi dari energi kinetik air menjadi energi mekanik pada poros

runner. Turbin ini banyak digunakan pada head rendah hingga menengah untuk

kapasitas hingga 5 m3/s. Keunggulan konstruksinya sederhana, putaran operasi

cukup tinggi dan efisiensinya stabil pada perubahan beban hingga 40% dari beban

maksimum.

Gambar 1.4 Turbin Michael Banki

Sumber: Anonymous 1 (2011)


4




c. Turbin air / Kincir air

Pada kincir air, air ditumbuhkan ke mangkuk-mangkuk yang dipasang pada

piringan motor (roda berputar) sehingga terjadi perubahan energi kinetik menjadi

energi mekanik. Kincir air bekerja pada putaran rendah sehingga memerlukan

pemercepat putaran dengan perbandingan putaran yang tinggi untuk mencapai

putaran generator. Kincir air memiliki ciri konstruksi sederhana dan diameter besar.

Pada penggunaannya kincir air banyak digunakan untuk head dan kapasitas kecil,

karena diameter besar bekerja pada putaran rendah. Pemanfaatan energi air dalam

skala kecil dapat berupa penerapan kincir air dan turbin. Dikenal ada tiga jenis

kincir air berdasarkan sistem aliran airnya, yaitu : overshot, breast-shot, dan under-

shot.

Pada kincir overshot, air melalui atas kincir dan kincir berada di bawah aliran

air. Air memutar kincir dan air jatuh ke permukaan lebih rendah. Kincir bergerak

searah jarum jam. Pada kincir breast-shot, kincir diletakkan sejajar dengan aliran air

sehingga air mengalir melalui tengah-tengah kincir. Air memutar kincir berlawanan

dengan arah jarum jam. Pada kincir under-shot, posisi kincir air diletakkan agak ke

atas dan sedikit menyentuh air. Aliran air yang menyentuh kincir menggerakkan

kincir sehingga berlawanan arah dengan jarum jam

(a) (b)


5




(c)

Gambar 1.5 (a) Kincir air overshot, (b) kincir air under-shot,

(c) kincir air breast-shot


2. Turbin Reaksi

Turbin dimana proses ekspansi fluida kerjanya terjadi pada sudu tetap dan

sudu geraknya.

Gambar 1.6 Turbin reaksi

Sumber:Anonymous 3 (2014)

Macam–macam turbin reaksi:

a. Turbin Francis

Turbin francis yaitu turbin yang dikelilingi dengan sudu pengarah dan

semuanya terbenam ke dalam air. Turbin francis digunakan untuk pemanfaatan

potensi menengah (dari beberapa puluh meter sampai 100 m). Turbin francis

sudah bias dibuat dengan kecepatan putar yang tinggi.


6




Gambar 1.7 Turbin francis


b. Turbin Kaplan

Turbin baling–baling dikembangkan sedemikian rupa sehingga suatu

turbin dapat berputar di dalam lahar panas. Selain itu sudu-sudu dapat diatur

sesuai dengan kondisi operasi pada saat itu. Keuntungan memilih turbin koplan

yaitu kecepatan putaran bisa dipilih lebih tinggi, ukurannya lebih kecil karena

roda turbin bisa dihubungkan langsung dengan generator. Harganya murah bila

dipakai pada saat pembangkit yang besar.

Gambar 1.9Turbin kaplan

Sumber: dixson S.L(2010:326)


7




1.2.2 Turbin Air Francis dan Prinsip Kerjanya

1.2.2.1 Bagian-bagian Turbin Air Francis

Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang diantara

sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian keluar.

Turbin ini mempunyai 3 bagian utama yaitu runner, guide vane (sudu pengarah), dan

rumah turbin (casing).

a. Runner

Merupakan bagian turbin francis yang dapat berputar, terdiri dari poros dan

sudu turbin yang berfungsi mengubah energikinetik menjadi energi mekanik

Gambar 1.11Runner

Sumber:Laboratorium Mesin Fluida Teknik Mesin FT-UB

b. Casing

Merupakan saluran yang menyerupai rumah siput dengan bentuk penampang

melintang lingkaran. Berfungsi menampung fluida yang terletak keluar guide vane

dan memaksimalkan energi tekanan.


8




Gambar 1.12Casing


c. Guide vane

Berfungsi sebagai pengarah aliran air dari katup pengatur kapasitas dari

casing ke runner dan berfungsi menaikkan kecepatan aliran air sebelum menuju

runner.

Gambar 1.13Guide vane


d. Pipa Inlet

Merupakan bagian yang berfungsi untuk meneruskan air yang akan masuk ke

casing.

Gambar 1.14 Pipa inlet



9




e. Draft Tube

Merupakan bagian yang berfungsi untuk meneruskan air dari turbin ke saluran

pembuangan dengan menggunakan tinggi jatuh air.

Gambar 1.15Draft Tube


1.2.2.2 Prinsip Kerja Turbin air Francis

Turbin francis bekerja dengan memakai proses tekanan lebih,air masuk ke roda

jalan sebagai energi jatuh (head drop) yang menyimpang energi potensial, kemudian

diubah menjadi energi kinetik dari sudu dalam maka kecepatan air melewati sudu diam

menjadi lebih cepat sehingga bisa memutar sudu gerak. Dari putaran sudu gerak

tersebut nantinya akan berubah energi kinetik tadi menjadi energi mekanik sehingga

menghasilkan daya.

Pada sisi ke luar roda jalan terdapat tekanan yang rendah (kurang dari 1 atm)

dan kecepatan aliran yang tinggi. Sedangkan pada sisi isap kecepatannya akan

berkurang sehingga tekanannya naik, maka air dapat dialirkan ke luar lewat saluran air

bawah. Energi Kinetik adalah energi suatu benda karena bergerak dengan kecepatan V,

contohnya air yang bergerak

Ek =

Energi Potensial adalah energi yang tersimpan pada benda karena

kedudukannya, sebagai contoh, energi potensial air adalah energi yang dimiliki air

karena ketinggiannya dari permukaan

Ep = m.g.h


10




Energi mekanik adalah energi total yaitu penjumlahan antara energi kinetik

dengan energi potensial

Em = Ek + Ep

1.2.3 Teori dan Persamaan yang Mendukung Percobaan

1.2.3.1 Persamaan Bernoulli

Persamaan Bernoulli bermula dari suatu persamaan energi fluida

incompreesible dalam aliran steady yang menyatakan bahwa total yang perpartisipasi

adalah tetap sepanjang satuann jarak.

Persamaan Bernoulli bermula dari suatu persamaan energi fluida

incompreesible dalam aliran steady yang menyatakan bahwa total yang perpartisipasi

adalah tetap sepanjang satuan jarak.

Pada aliran air dalam pipa diambil suatu selisih ketinggian 2 antara tinggi air

atas dan air bawah maka menurur Bernoulli aliran tersebut yaitu :

Energi potensial + Energi kinetik + Energi tekanan yang besarnya konstan

m.g.h + P.V + ½.m.V2 = konstan

Persamaan energi spesifik :


11




Dimana : P = Tekanan (N/m2)

H = ketinggian (m)

g = Percepatan gravitasi (m/s2)

= Kecepatan Aliran (m/s)

= . g (kg/m2.s

2)

Syarat berlakunya hukum Bernoulli :

1. Alirannya Steady

2. Fluida Incompressible

3. Non Viscous

4. Aliran fluida searah dengan kecepatan

Untuk hubungannya dengan turbin semakin tinggi (h) energi potensial yang

dihasilkan semakin besar sehingga akan berpengaruh pada energi kinetik dalam

menubruk sistem. Dengan bertambahnya energi kinetik yang menabrak sudu maka

putaran yang dihasilkan akan semakin besar.

1.2.3.2 Persamaan Kontinuitas

Persamaan ini adalah suatu ungkapan matematik mengenai hal-hal jumlah

netto massa yang mengalir dalam permukaan terbatas sama dengan pertambahan masa

dalam permukaan itu volume fluida masuk dalam sistem adalah sama dengan volume

yang keluar sistem

21

mm

ρ1.v1.A1= ρ2.v2.A2

Keterangan: m = massa jenis (

)

v = kecepatan (

)

A = Luas penampang (m2)


12




Gambar 1.22: Persamaan Kontuinitas

Sumber: Anonymous 18, 2013

1.2.3.3 Segitiga Kecepatan

Segitiga kecepatan adalah dasar kinematika dari aliran fluida yang menumbuk

sudu turbin. Dengan pemahaman segitiga kecepatan akan membantu dalam pemahaman

proses konversi energi pada turbin air.

Gambar 1.18 Segitiga kecepatan turbin reaksi


Pada turbin reaksi, guide vane mengarahkan aliran air masuk ke sudu dengan

sudut α2, dengan kecepatan absolut V2. Setelah menjumlahkan vektor dengan kecepatan

tangensial di ujung sudu u2, u2=rω, maka sudut luar sudu harus diatur sebesar β2 untuk

mengakomodasi kecepatan relatif air menyinggung permukaan sudu w2. Profil sudu

tersebut menyebabkan arah dan kecepatan air menyinggung sudu pada sisi outlet

berubah w1, dankarena kecepatan tangensial sudu pada sisi outlet lebih kecil dari sisi

inlet u2> u1 akibat r2> r1. Maka jika dijumlahkan vektor w1 dan u1 maka akan

didapatkan nilai kecepatan absolut air di sisi outlet v1 yang lebih kecil dari sisi inlet.

Artinya sebagian energi kinetik dari air dirubah menjadi energi kinetik sudu saat air

menyinggung permukaan sudu.


13




1.2.4 Rumus Perhitungan

1. Head Drop Turbin (H)

)(,12 mHHH

Dimana : H1 = Head keluar turbin

H2 = Head masuk turbin

2. Debit yang Melalui Orifice Plate (Q)

)(,521.33

jam

mPQ

Dimana P (mmHg)

3. Torsi (T)

T = F.L

Dimana:

F = Gaya pengereman (N)

L = Panjang lengan gaya (m) = 0.248 m

4. Brake Horse Power (BHP)

( )

Dimana:

n = Kecepatan putar turbin (rpm)

5. Water Horse Power (WHP)

( )

Dimana:

= water g

g = Percepatan gravitasi (m/s2)

6. Efisiensi ()


14




1.3 Pelaksanaan Percobaan

1.3.1 Variabel yang Diamati

1.3.1.1 Variabel Bebas

Variabel bebas adalah variabel yang mempengaruhi variabel terikat, yang bisa

ditentukan dengan keperluan yang diinginkan. Dalam praktikum ini yang termasuk

variabel bebas adalah kecepatan putaran.

1.3.1.2 Variabel Terikat

Variabel terikat adalah variabel yang hasilnya dipengaruhi oleh variabel bebas.

Dalam praktikum ini yang termasuk variabel terikat adalah tekanan orifice plate dan

gaya pengereman.

1.3.1.3 Variabel Kontrol

Variabel kontrol adalah variabel yang hasilnya tidak dipengaruhi oleh variabel

terikat, yang tidak bisa ditentukan dengan keperluan yang diinginkan. Dalam hal ini

yang termasuk variabel kontrol adalah bukaan guide vane dan head drop.

1.3.2 Spesifikasi Peralatan yang digunakan

a. Pompa air tipe sentrifugal dengan motor listrik AC sebagai penggerak dengan

spesifikasi sebagai berikut:

Model : C 160 MAH

Serial Number : BS 29821

Output : 11 kW

Revolution / Minute : 2900 rpm

Voltage : 380 volt

Arus : 234 Ampere

Frekuensi : 50 Hz

Rating : MCR

Phase : 3


15




Inc.Cluse : F

b. Temperatur : 80o C

c. Pompa air type sentrifugal dan motor listrik sebagai penggerak.

d. Pipa penyalur air yang menghubungkan pompa dan turbin lengkap dengan orfice

plat beserta pengukur tekanannya dan stop valve.

e. Brake Torque Force Spring Balance neraca pegas.

f. Bak penampung air dan v-notch dan pengukur tinggi permukaan

g. Pipa penyalur air yang menghubungkan bak penampung dengan pompa

h. Hand digital tachometer. Tachometer untuk mengukur putaran poros turbin.

1.3.3 Instalasi Alat Percobaan dan Fungsi Bagian-Bagiannya

Berikut gambar instalasi alat dan bagian-bagiannya :

Gambar 1.19 Skema instalasi turbin francis

Sumber: Buku Petunjuk Praktikum Mesin-Mesin Fluida (2014)

Keterangan gambar :

1. Bak Penampung

Berfungsi untuk menampung air yang akan dialirkan menuju turbin maupun

keluar turbin.


16




2. Pompa Sentrifugal

Berfungsi untuk memindahkan atau mengalirkan air dari bak penampung

menuju turbin.

3. Katup

Berfungsi untuk mengatur head drop sesuai kehendak.

4. OrificeValve

Digunakan untuk mengetahui tekanan dan debit air yang mengalir melewati

orifice valve.

5. Manometer

Berfungsi untuk mengukur beda tekanan.

6. Turbin Air Francis

Digunakan untuk mengubah energi fluida kerja menjadi energi mekanik.

7. Dinamometer

Berfungsi untuk mengukur gaya.

8. Pressure Gauge Inlet

Berfungsi untuk mengukur tekanan masuk

9. Pressure Gauge Outlet

Berfungsi untuk mengukur tekanan keluar.

10. Stroboscop

Berfungsi untuk menghitung banyak putaran.

1.3.4 Langkah Percobaan

1. Pastikan semua instrumen pengukuran menunjukkan posisi 0 (nol), dan katup

discharge dalam keadaan tertutup penuh.

2. Atur bukaan guide vane sesuai dengan yang dikehendaki.

3. Hidupkan motor listrik penggerak pompa kemudian buka katup discharge secara

perlahan sampai pada head drop yang dikehendaki.

4. Pada head drop yang dikehendaki, catat besarnya putaran poros sebagai putaran

maksimumnya, kemudian catat data dari semua instrumen pengukuran sebagai data

pertama.

5. Kurangi putaran poros sebesar 10% dari putaran maksimumnya dengan cara

menambah beban pengereman. Ambil data-data yang diperlukan antara lain:


17




- Beda ketinggian kolom Hg pada Orificemeter

- Gaya pengereman (F)

6. Ulangi langkah no.5 sampai poros berhenti.

7. Setelah semua pengambilan data selesai dilakukan, atur kembali beban pengereman

seperti kondisi awal.

8. Tutup katup discharge dan matikan motor listrik penggerak pompa.

9. Percobaan selesai.


18




1.4 Pengolahan Data

1.4.1 Data Hasil Percobaan

(Terlampir)

1.4.2 Pengolahan Data

1.4.2.1 Contoh Perhitungan

1. Head Drop Turbin (H)

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

2. Debit yang Melalui Orifice Plate (Q)

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

3. Torsi (T)

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................


19




..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................


..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................


..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

6. Water Horse Power (WHP)

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................


20




7. Efisiensi ()

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................


21




..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

Turbin

Documents

Transcript of Turbin