LAPORAN PRAKTIKUM TURBIN FRANCISBAB IPENDAHULUAN

1.1. Tinjauan UmumPraktikum sangat membantu dalam mendapatkan gambaran yang nyata tentang alat/mesin yang telah dipelajari dibangku 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 di mana 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.

1.2. Tujuan Percobaan1. Memperoleh grafik yang menunjukkan hubungan antara kecepatan putar turbin terhadap daya yang dapat dibangkitkan turbin pada head konstan.2. Memperoleh grafik yang menunjukkan hubungan antara kecepatan putar turbin terhadap efisiensi pada head konstan.3. Mengetahui grafik hubungan kecepatan putaran turbin terhadap efisiensi pada variasi guide vane berbeda.4. Mampu melakukan analisa hasil pengujian

BAB IITINJAUAN PUSTAKA2.1. Dasar teori2.1.1. Pengertian turbin airTurbin adalah suatu mesin konversi energi yang mengonversi atau mengubah energy potensial (head) yang dimiliki air menjadi energy mekanik pada poros tubin. Secara sederhana juga dapat dikatakan bahwa turbin air merupakan sebuah mesin berputar yang mengambil energy kinetik dari arus air. Pada kondisi actual tidak semua energy potensial air dapat diubah menjadi energy kinetic pada turbin. Pasti dalam proses perubahan-perubahan terdapat kerugian-kerugian.2.1.2. Klasifikasi turbin air dan aplikasi kerjanyaBerdasarkan prinsip perubahan momentum fluida kerjanya turbin dibedakan menjadi 2, yaitu:1. Turbin ImpulsTurbin impuls adalah turbin dimana proses aliran fluida kerjanya penurunan tekanan hanya terjadi pada sudu-sudu tetapnya. Prinsip kerja turbin impuls dapat dijelaskan sebagai berikut. Sebuah papan beroda yang dapat berjalan pada papan dipasang sudu. Apabila sudu disemprotkan air akan menumbuk sudu dengan gaya F dan sudu akan terdorong kearah yang sama dengan gaya yang bekerja, maka papan berjalan searah gaya F. Jadi gerakan papan searah dengan gaya yang bereaksi pada sudu. Ini adalah prinsip dasar teori turbin impuls. Penjelasan diatas dapat ditunjukkan pada gambar dibawah ini.

Gambar 2.1 Prinsip kerja turbin impulsSumber : Basyiran, Mesin Konversi Energi, hal 60Konversi energi pada turbin impuls ini adalah seluruh tinggi air diubah menjadi energi kinetik pada roda jalan (runner), kemudian menjadi energi mekanik untuk menggerakkan poros.Berikut ini adalah penjelasan beberapa jenis dari turbin impuls.a. Kincir AirKincir air adalah jenis turbin air yang paling kono sudah sejak lama digunakan oleh masyarakat. Teknologinya sederhana, material kayu bisa dipakai untuk membuat kincir air, tetapi untuk operasi pada tinggi jatuh air yang besar biasanya kincir air dibuat dengan besi. Kincir air bekerjanya pada tinggi jatuh yang rendah biasanya antara 0,1 m sampai 12 m dengan kapasitas aliran yang berkisar antara 0,05 m3/s sampai 5 m3/s. Dari data tersebut pemakai kincir air adalah di daerah yang alirannya tidak besar dan tinggi jatuh yang kecil. Putaran poros kincir air berkisar antara 2 rpm sampai 12 rpm.

Gambar 2.2 Instalasi turbin/kincir airSumber : basyiran, mesin konversi energy (62)b. Turbin PeltonPada turbin impuls pelton beroperasi pada head relatif tinggi sehingga pada head yang rendah operasinya kurang efektif atau efisiensinya rendah. Karena alasan tersebut, turbin pelton jarang dipakai secara luas untuk pembangkit listrik sekala kecil. Turbin pelton bekerja dengan prinsip impuls semua energi tinggi dan tekanan ketika masuk sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan. Turbin pelton beroperasi pada tinggi jatuh yang besar. Tinggi air jatuh dihitung mulai dari permukaan atas sampai tengah-tengah pancaran air. Bentuk sudu terbelah menjadi dua bagian yang simetris dengan maksud adalah agar bisa membalikkan pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping. Tidak semua sudu menerima pancaran air, hanya sebagian saja secara bergantian bergantung posisi sudu tersebut. Jumlah nozelnya bergantung pada besar kapasitas air tiap roda turbin dengan 1 sampai 6 nozel. Adapun konstruksi sudu jalan dari pelton beserta nozelnya dapat dilihat pada gambar 2.3

Gambar 2.3 Instalasi Turbin Pelton dengan poros verticalSumber :http//crayonpedia.org

c. Turbin Michael Banki/Crossflow/arus lintangAdalah jenis turbin impuls yang bisa beroperasi pada head rendah. Kerja dari turbin ini adalah sebagai berikut, aliran air dilewatkan melalui suatu sudu jalan yang berbentuk silinder, kemudian aliran air dari dalam silinder dan air keluar silinder. Energi yang diperoleh 20% -nya dari tahap pertama. Air yang masuk sudu diarahkan oleh alat pengarah yang sekaligus berfungsi sebagai nozel. Seperti pada turbin pelton, prinsip perubahan energi adalah sama dengan turbin impuls. Pelton yaitu energy kinetik dan penggerak dikenakan pada sudu-sudu pada tekanan yang sama kemudian pada roda jalan, energi diubah menjadi energy mekanik pada putaran poros.

Gambar 2.4 Konstruksi dari Turbin Michael BankiSumber : Basyiran, mesin konversi energy (65)

2. Turbi ReaksiTurbin reaksi adalah turbin dimana proses ekspansi fluida kerjanya terjadi pada sudu tetapnya maupun sudu geraknya. Prinsip kerja turbin reaksi dapat dijelaskan sebagai berikut. Turbin akan berputar karena dilewati air dari bejana, artinya sudu turbin akan bereaksi dengan gaya yang berlawanan arah dengan gaya yang dikenakan oleh aliran turbin. Turbin reaksi dapat dibedakan menjadi beberapa jenis, yaitu :a. Turbin Francis Turbin francis digunakan untuk berbagai keperluan dengan tinggi terjun menengah (medium head). Turbin francis memiliki 3 bagian utama yaitu runner, guide vane, dan rumah turbin (casing). Runner turbin dari poros dan sudu turbin. Guide vane serupa dengan sudu turbin yang berfungsi untuk mengarahkan aliran air. Turbin francis bekerja dengan memakai proses tekanan lebih saat air masuk ke roda jalan. Sebagian head yang ada pada sudu pengarah diubah sebagai kecepatan arus masuk jika energi head dimanfaatkan pada sudu jalan. Pada saat runner terdapat tekanan yang rendah (kurang dari 1 atm) dan kecepatan aliran yang tinggi dalam pipa akan berkurang. Turbin francis digunakan pada head menengah dan putaran operasinya tidak terlalu tinggi. Turbin francis dapat dioperasikan pada lebih dari 50% efisiensi terbaiknya. Di bawah 40% yang menyatakan efisiensi yang rendah menyebabkan operasinya tidak stabil dan kasar.

Gambar 2.5 Aliran pada Turbin FrancisSumber : http//bp.blogspot.com

b. Turbin Kaplan Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan baling-baling pesawat terbang. Bila baling-baling pesawat terbang berfungsi untuk menghasilkan gaya dorong, roda jalan pada kaplan berfungsi untuk menghasilkan gaya F yaitu gaya putar yang bisa menghasilkan torsi pada poros turbin. Berbeda dengan roda jalan pada francis, sudu-sudu pada roda jalan dapat diatur posisinya untuk menyelesaikan kondisi beban turbin.

Gambar 2.6 Instalasi pada turbin KaplanSumber : Basyiran, mesin konversi energy (67)

c. Turbin Propeller Turbin propeller dapat dipasang pada posisi poros horizontal maupun vertikal. Turbin ini mempunyai 3 bagian utama yaitu runner, guide vane, rumah turbin (casing). Pada prinsipnya, turbin ini mirip dengan turbin francis hanya terdapat perbedaan pada sudu runner dan poros serta hubungannya. Turbin ini digunakan untuk pemanfaatan potensio hidro yang dimiliki head rendah hingga menengah dengan kapasitas aliran besar dan putaran operasi tidak terlalu tinggi antara 1,5 -60 m. Akan tetapi, turbin ini sering digunakan pada head yang kurang dari 30 m. Batas pengoperasian turbin ini adalah 75% - 95 % dari efisiensi terbaiknya.

Gambar 2.7 Instalasi Turbin PropellerSumber : Warnick ce, Hydro Power Engineering (19)

Perbedaan Turbin Impuls dengan Turbin Reaksi :

Gambar 2.8 Grafik Tekanan dan Kecepatan Fluida Melewati Sudu Pada Turbin Sumber : http//www.wikipedia.org

Turbin ImpulsTurbin Reaksi

- Gesekan roda jalan searah dengan gaya reaksi yang bekerja pada sudu.

- Terdiri dari sudu tetap saja atau sudu jalan saja- Turbin bekerja pada tekanan sama ( air yang keluar pada sudu tetap, tekanannya sama dengan tekanan atmosfer).- Di dalam roda jalan terdapat putaran air yang belok dan kecepatannya tinggi.- Terjadi tumbukan pada sudu tetap sehingga terjadi penurunan tekanan secara langsung.

- Kecepatan aliran fluida lebih besar karena hanya melewati satu sudu. - Roda jalan akan bereaksi dengan gaya yang berlawanan arah dengan gaya yang dikenakan air.- Terdiri dari sudu penggerak (dapat diubah-ubah) dan sudu jalan.- Turbin bekerja pada tekanan lebih (tekanan sebelum masuk) roda jalan lebih besar daripada tekanan dibagian keluarnya.- Pada roda jalan bekerja gaya geser aksial karena aliran fluida searah dengan poros.- Terjadi tumbukan pada sudu tetap dan sudu gerak sehingga terjadi penurunan tekanan secara bertahap.- Kecepatan aliran fluida lebih kecil karena melewati sudu tetap dan sudu gerak.

Klasifikasi turbin air berdasarkan karakteristik turbin

Gambar 2.9 Klasifikasi turbin air berdasarkan karakteristik turbinSumber : http//www.caitonline.com/mekanika/img

Dapat dilihat pada gambar di atas terlihat bahwa turbin Kaplan adalah turbin yang beroperasi pada kapasitas aliran air yang tinggi atau bahkan beroperasi pada kapasitas yang sangat rendah. Hal ini karena sudu-sudu turbin Kaplan dapat diatur secara manual atau otomatis untuk memproses perubahan kapasitas. Berkebalikan dengan turbin Kaplan, turbin pelton adalah turbin yang beroperasi dengan head yang tinggi dengan kapasitas rendah., untuk turbin francis karakteristik yang berbeda dengan yang lain yaitu turbin francis dapat beroperasi pada head yang rendah atau pada head yang tinggi. Segitiga kecepatanPada gambar segitiga kecepatan air keluar didapat sebagai berikut. Bila suatu bagian kecil air dan dalam mengalirkan sampai dibagian ujung keluar bejana kecepatannya berubah dari w1 ke w2 dan arahnya juga berubah dari a1 ke a2 disebabkan karena pengecilan penampang A1/A2.Pada titik 2 digambar v2 dan digambar pula w2 yang sesuai besar dan arahnya, dengan digambarnya c2 didapat segitiga kecepatan keluar. Karena kebutuhan istilah untuk membedakan harga-harga tersebut maka,C = disebut kecepatan mutlak, karena daerah disekelilingnya tetap diam tak bergerakW = disebut kecepatan relative, karena berhubungan dengan bagian sebelah dalam bejana yang bergerak V = Kecepatan tangensial turbin

Gambar 2.10 Segitiga kecepatan pada turbin airSumber : Fultz, turbin, pompa, dan kompresor

Berikut penjelasan tentang bagian-bagian darin turbin francisa. Runner Merupakan bagian yang terdiri dari poros dan sudu turbin yang berfungsi mengubah energi kinetik menjadi energi mekanik. Energi kinetic diperoleh dari aliran air.

Gambar 2.11 RunnerSumber : www.turboexpandeus.com/library/img

b. CasingMerupakan saluran yang menyerupai rumah siput dengan bentuk penampang melintang lingkaran. Bagian ini berfungsi menampung fluida yang terlempar keluar sudu-sudu jalan dan memaksimalkannya.

Gambar 2.12 CasingSumber : Diezel turbin pompa dan kompresor (132)c. Guide VaneBagian ini berfungsi sebagai pengarah aliran air dari rumah keong/Chasing ke runner.

Gambar 2.13 Guide VaneSumber : www.crayonpedia /turbinair.com

d. Pipa InletMerupakan bagian yang berfungsi meneruskan air masuk ke input (rumah turbin)

Gambar 2.14 Pipa InletSumber : www.wikipedia.org

e. Draft TubeDraft tube berfungsi untuk meneruskan air dari turbin ke saluran pembuangan dengan menggunakan tinggi jatuh air. Draft tube digunakan untuk menurunkan kecepatan yang berasal darisudu-sudu jalan bertekanan kuramg dari 1 atm.

Gambar 2.15 Draft TubeSumber : Warnick, CC. Hydropower Engineering, hal 18

2.2.2 Prinsip Kerja Turbin FrancisTurbin francis bekerja dengan menggunakan proses tekanan lebih. Pada saat air masuk ke roda jalan, sebagian dari energi jatuh atau tinggi jatuh (head) yang terjadi di dalam sudu pengarah diubah menjadi kecepatan arus masuk (energi kinetik)sisa energi tinggi jatuh (head) bekerja di sudu jalan mendapat energy reaksi (gaya reaksi) dari sudu jalan tersebut. Pada posisi setelah keluar dari runner terdapat tekanan serendah-rendahnya atau kurang dari 1 atm dan kecepatan aliran yang tinggi.Didalam pipa isap, kecepatan aliran berkurang dan tekanannya akan kembali naik sehingga air bias dialirkan keluar lewat saluran air bawah dengan tekanan seperti didaerah sekitar (tekanan sekitar). Pipa isap ini mempunyai tugas mengubah energy kecepatan menjadi energi tekanan.Pengaturan daya yang dihasilkan yakni dengan mengatur posisi bukaan sudu pengarah, sehingga kapasitas air yang masuk ke roda jalan (runner) bias diperbesar atau diperkecil.

Gambar 2.16 Penjelasan Hukum BernoulliSumber : Fritz, Dietzel. Turbin, Pompa dan kompresor2.3.2 Persamaan KontinuitasMerupakan suatu persamaan matematis mengenai jumlah netto massa fluida mengalir dalam permukaan terbatas sama dengan massa dalam permukaan itu. Volume fluida masuk dalam selang sama dengan volume fluida pada aliran keluar. Atau hukum kontinuitas menyatakan bahwa jumlah massa pada setiap penampang adalah sama dirumuskan sebagai berikut :

Dimana :m=massa aliran fluida (kg/s)=massa jenis fluida (kg/m3)A=luas penampang saluran (m2)V=kecepatan aliran (m/s)Q=debit aliran (m3/s)

Gambar 2.17 Penjelasan hukum kontinuitasSumber : www.wikipedia.org2.4 Rumus Perhitungana. Head Drop Turbin (H)

Dimana : H1 = Head keluar turbin H2 = Head masuk turbinb. Debit yang Melalui Orifice Plate (Q)

Dimana := Beda tekanan pada orifice (mmHg)c. Torsi (T)

Dimana : F = Gaya pengereman (N) L = Panjang lengan gaya (m) = 0.248 m

d. Brake Horse Power (BHP)

Dimana : n = Kecepatan putar turbin (rpm) T = Torsi (Nm)e. Water Horse Power (WHP)

Dimana : = water g Q = Debit yang melalui orifice H = Head drop turbin g = Percepatan gravitasi water = Massa jenis air = 1000 kg/m3f. Efisiensi ()

LABORATORIUM MESIN-MESIN FLUIDATEKNIK MESIN UNIVERSITAS BRAWIJAYA