BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Turbin berasal dari kata turbo yang diartikan sebagai sesuatu yang

berputar. Turbin air didefinisikan sebagi alat yang digunakan untuk merubah

energi dan fluida yang mengalir menjadi energi mekanik yang berguna untuk

membangkitkan energi atau penggerak alat lain.

Penggunaan turbin air dalam system pemmbangkit tenaga listrik, saat ini

masih dominant dalam pemakaian kita harus memilih dan menentukan

karakteristik turbin air sesuai dengan kondisi dan dimana fluida mengalir tempat

dipasang turbin air. Sama halnya dengan turbin uap dan gas banyak factor yang

mempengaruhi turbin air disamping pengembangan teori dan penelitian, ternyata

adanya inisiatif mendorong perkembangannya.

Turbin air merupakan turbin denganiar sebagai fluida kerja dan mengalir

dari tempat yang lebih tinggi ke tempat yang lebih rendah. Dalam hal ini air

memiliki energi potensial yang berangsur-angsur diubah menjadi energi kinetic.

Dalam turbin energi kinetic air diubah menjadi energi yang dapat memutar turbin.

1.2. Tujuan Praktikum

Dalam pengijian turbin ini bertujuan antara lain :

a. Untuk mengetahui prestasi kerja turbin air

b. Untuk mengetahui hubungan parameter-parameter turbin :

Pada variasi kecepatan putar :

Head terhadap putaran (H vs n)

Daya terhadap putaran (N vs n)

Efisiensi terhadap putaran ( vs n)

Pada variasi kecepatan putar :

Head terhadap kapasitas (H vs Q)

Daya terhadap kapasitas (N vs Q)

Efisiensi terhadap kapasitas ( vs Q)

BAB II

2

LANDASAN TEORI

2.1. Pengertian Umum Turbin Air

Turbin air adalah turbin dengan air sebagai fluida kerja. Air mengalir dari

tempat yang lebih tinggi menuju yang lebih rendah. dalam hal ini air memiliki

energi potensial. Dalam proses ini aliran dalam pipa energi potensial berangsur

berubah-ubah menjadi energi kinetic. Di dalam turbin energi kinetic, air diubah

menjadi mekanik, di mana air memutar turbin.

2.2. Klasifikasi Dan Jenis Turbin Air

Pada dasarnya turbin air di bedakan menjadi dua golongan utama yaitu

dipandang dari segi pengubahan momentum fluida kerjanya, yaitu :

- Turbin Implus (Turbin Pelton)

- Turbin reaksi (turbin Francis, Kaplan Dan Propeller)

-

a. Turbin Pelton

Turbin ini termasuk dalam turbin implus karena aliran air yang keluar

dari nozzle tekanannya sama dengan tekanan atsmofir seluruhnya. Maka di

sebut juga turbin tekanan sama. Turbin ini di pakai untuk turbin jatuh yang

besar. Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian simetris ini dinaikkan supaya

dapat membalikkan pancaran air dengan baik dan membebaskan dari gaya-

gaya samping. Tidak semua sudu menerima pancaran air hanya sebagian saja

dan segera berganti tergantung dari sisi pada posisi sudu. Jumlah nozzle

tergantung kapasitas air, tiap turbin bias di lengkapi 1-6 nozzel.

Ukuran-ukuran utama turbin pelton :

D = diameter linkungan sudu yang kena pancaran

D = diameter nozzle

N = kecepatan putar roda turbin

Berikut ini gambar dari turbin pelton

b. Turbin Kaplan

Turbin ini dipakai untuk turbin yang jauh rendah, menurut

kontruksinya turbin ini dibagi menjadi dua yaitu turbin Kaplan bila satu yang

dapat digerakkan dengan otomatis dan turbin baling-baling dengan rotor tetap.

Sudu roda pada turbin kaplan mempunyai kontruksi yang dapat di gerakkan.

Turbin ini mempunyai rumah turbin sehingga aliran air melalui aksial pada

selubung silinder. Turbin kaplan kebanyakan berjenis poroskorosital dan

bagian peralatannya dipasang pada satu garis.

4

Gambar Turbin Kaplan

c. Turbin Tabung Kaplan.

Untuk pusat tenaga listrik dengan tinggi air jatuh yang kecil banyak

menggunakan turbin tabung kaplan, karena turbin ini hanya memrlukan

sedikit tempat dan pada saat pembebanan penuh rendemennya mencapai 3 %

lebih baik dari turbin lain. Ciri turbin ini adalah turbin dengan generator

mempunyai poros yang horisontal. Sehingga aliran hampir berbentuk garis

lurus, mulai dari masuk sudu penggerak memulai turbin dan terus ke p-ipa

isap, hal ini yang menentukan rendemen turbin.

d. Turbin Francis

Turbin ini memakai proses tekanan lebih pada saat air masuk roda

jalan, sebagi dari energi jatuh telah bekerja dalam sudu pengarah diubah

menjadi kecepatan arus masuk. Sisa energi tinggi jatuh di gunakan pada suatu

jalan dengan maksimal. Pada sisi luar roda jalan terdapat tekanan yang rendah

dan kecepatan aliran yang tinggi dari dalampipa isap. Kecepatan aliran akan

berkurang namun tekanannya akan kembali naik. Sehingga air dapat di alirkan

lewat saluran dengan tekanan yang seperti pada gambar berikut :

Gambar Turbin Francis

2.3. Teori Hidrodinamika

Air yang mengalir mempunyai energi yang dapat dimanfaatkan untuk

memutar roda turbin. Karena itu pusat tenaga listrik dibangun diatas sungai-

sungai dan gunung-gunung dengan memanfaatkan arus yang deras sebagai

penggerak turbin untuk mendapatkan daya listrik yang besar. Dengan

menggunakan rumus mekanika fluida maka daya turbin, luas penampang lintang,

saluran dan bagian dalam turbin lainnya dapat ditentukan.

2.3.1. Persamaan Bernnoulli

Pernyataan energi dari air menyatakan bahwa suatu bentuk energi dapat

diubah dari satu bentuk lain. Dari persamaan dan prinsip kekalan energi pada

aliran fluida. Energi yang dimiliki oleh suatu fluida yang mengaliryang terdiri dari

energi dalam dan energi akibat tekanan. Kecepatan dan kedudukan dalam aliran

prinsip dapat di hasilkan dengan persamaan sebagi berikut : ( energi bagian I +

6

energi yang di tambahkan + energi yang hilang + energi yang diambil + energi II

)

Persamaan ini untuk aliran mantap, fluida tidak kompresible yang

perubahan energi yang didalamnya bias di abaikan, maka persamaan diatas

disederhanakan menjadi :

2

222

11

211

.2.2

.2.z

g

v

g

pHHHz

gg

pA ++=−−+++

ρν

ρ

Persamaan diatas di kenal dengan persamaan Bernoulli.

2.3.2. Persamaan Kontinuitas.

Persamaan ini dihasilkan dari prinsip kekekalan massa, untuk aliran

mantap fluida yang melalui semua bagian dalam arus fluida persatuan waktu

adalah sama hal ini dapat di ekspansikan sebagi berikut :

1 . A1 . v1 = 2 . A2 . v2

1 . g . A1 . v1 = 2 . g . A2 . v2

Untuk fluida imcompresible 1 = 2 sehingga persamaan tersebut menjadi :

Q = A1 . v1 . = A2 . v2 kostan (m3/det)

Dimana :

A1 dan v2 luas penampang pipa 1 dan 2

V1dan A2 kecepatan rata-rata pada aliran pipa 1 dan pipa 2

Untuk aliran mantap incompressible 2 dimensi, maka :

An1 . v1 = An2 . v2 = An3 . n3 = kecepatan.

Untuk aliran mantap 3 dimensi :

L

PvP

zvP

yvP

x .

..

..

..

. γγ

γγ

γγ

γγ =++

2.3.3. Bilangan Reynolds

Bilangan Reynolds yang tidak berdimensi menyatakan perbandingan gaya

inersia terhadap gaya-gaya kekentalan (viscositas) untuk pipa-pipa bundar yang

mengalir penuh :

)2(...

rV

v

dVatau

dVRe ππ

ρ ==

Dimana :

V = Kecepatan rata-rata (m/dt)

V = Kekentalan kinematik (m3/dt)

= Kerapatan massa fluida (kg/m3)

= Kekentalan mutlak

D = Diameter (m)

Untuk irisan-irisan yang tidak bundar, perubahan irisan terhadap keliling yang

basah disebut dengan jari-jari hidrolik (k) digunakan dalam bilangan reynold,

persamaan tersebut menjadi :

v

VRe

).2( π=

2.3.4. Persamaan Energi

Arus air yang mengalir menjadi energi air, energi ini dapat diubah ke

bentuk lain yaitu energi potensial dan diubah menjadi energi listrik. Kekekalan

energi adalah apabila arus air dalam alirannya dilewatkan dalam turbin air, maka

energi yang ada dalam air diubah menjadi energi bentuk lain.

Bentuk energi saat dalam keadaan standart :

energi tempat : mg2 dalam (kg M2/dt2)

energi kecepatan : mc2 dalam (mm)

8

energi tekanan : mp/ dalam (nm)]

sehingga energi yang dikandung air menjadi :

ρpmcm

zgmw.

2

...

2

++=

2.3.5. Energi Zat Cair, Sifat Dan Bentuk Energinya.

Energi air terjadi bila air tersebut mengalir secara mantap dan bentuk

energinya adalah head yang dapat dikonversikan ke bentuk lain. Aliran air

mempunyai sifat-sifat sebagai berikut :

Kerapatan massa (p) = m/v ……(kg/m3)

Kerapatan relative (RPB)

Berat jenis () = . g …….(N/m3)

Viscositas : merupakan sarat zat menentukan besarnya daya tahan terhadap

gaya getar ()

ρπρπ

/tanker

tan ===massaapa

mutlakkecepaV

… (m2/dt)

2.4 Parameter Turbin Air

Head turbin air (H)

H = P1 – P2 ....( kg/cm)

Dimana :

P = P1 – P2

= Tekanan pada manometer (kg/cm2)

1 atm = 760 mm Hg = 1.0332 kg/cm2 = 1034.3286 cmH2O

Kapasitas turbin air

Q = K.A.Cv. g.2 (13,6.h)….(m3/dt)

Dimana :

K = Kooefisien gesekan = 1,56

Cv = Kooefisien kecepatan = 0,98

H = Selisih ketinggian pada tabung u (m)

A = Luas saluran nozzle (m2)

= /4 (Dn)2

Dn = Diameter nozzle (m)

Daya Turbin Air

Water horse power

WHP = 120

.. hqT

…… (kw)

Dimana :

T = Berat jenis air = 1000 kg/m3

Brake horse power :

BHP =

60

..2

102

. nRF π

…..(kw)

Dimana :

F = Beban (kg)

R = D/2

D = Diameter poros turbin (m)

N = Putaran poros turbin (rpm)

Efisiensi Hidrolik

2

)(2

v

uuvh

−=η

( ) ( )det/......6.13.2. mhgvcv =

10

60

.. nDu

π=

Efisiensi Mekanis

%100xWHP

BHPm =η

2.5 Kavitasi dan water hammer

Preses kavitasi merupakan proses yang rumit dan kurang begitu

dipahami secara umum. Kavitasi adalah suatu peristiwa terjadinya gelembung-

gelembung uap di dalam cairan (air) yang mengalir apabila tekanan di tempat-

tempat tersebut sama dengan tekanannya. Gelembung tersebut akan terbawa

arus. Bila gelembung sampai pada tekanan lebih besar dari tekanan gelembung

atau uapnya, maka gelembung tersebut akan pecah secara tiba-tiba.pecah

gelembung tersebut selain menimbulkan suara berisik juga menyebabkan

lubang-lubang kikisan pada permukaan dinding saluran turbin.

Kavitasi yang berlebihan dapat pula mengurangi daya dan efisiensi

turbin, kavitasi dapat dikurangi dengan jalan:

1. Memasang turbin pada tempat yang sebaik-baiknya yaitu

memperkecil jarak vertikal antara roda turbin pada permukaan air

bawah (memperkecil tinggi isap, Hs)

2. Memperbaiki kontruksi dan mengusahakan agar tidak terdapat

belokan-belokan atau kelok-kelokan yang tajam.

Koefisien kavitasi ()

H

HsHb −=σ

Dimana:

Hb : Hatm - Hv

Hs : Tinggi isap (m)

Hatm : Tergantung pada letak turbin terhadap permukaan.

Hv : Tergantung dari temperatur rata-rata air pada suatu tempat

tertentu.

BAB III

PROSEDUR PERCOBAAN

3.1 Data Teknis Turbin Air

Data Pompa

12

- Type : Pompa Centrifugal

- Head Isap, Hd : 9 m

- Head Tekan, Hd : 24 m

- Kapasitas, Qpump : 43 l/menit

- Sumber Daya : 125w/220v/50Hz

Data Turbin air

- Type turbin : Pelton

- Runner turbin

Diameter luar : 100 mm

Diameter dalam : 75 mm

- Sudu turbin

Lebar sudu, b : 16 mm

Jumlah sudu, z : 12 mm

- Diameter nozzle, Dn: 5 mm

- Rem poros turbin

Type: Rem tali

Diameter poros, D: 26 mm

Beban : Timbangan pegas

3.2 Skema Instalasi Turbin

Keterangan gambar:

T : Turbin Pelton

M : Motor Listrik

P : Pompa Air

1. Timbangan Pegas

2. Alat Ukur

3. Manometer Tabung U

4. Katub Pengatur aliran

3.3 Prosedur percobaan

14

1. Buka katup pengatur aliran (4) setengah bukaan dan hidupkan motor listrik

kemudian tunggu beberapa saat sampai system berjalan normal.

2. Buka katup (4) secara penuh dan catat parameter yang diperlukan.

3. Untuk beban konstan dengan kecepatan variasi, atur beban pada

timbangan pegas (1) pada beban tertentu. Kecilkan bukaan katup (4) dan

catat semua parameter yang diperlukan, lakukan hal ini untuk beberapa

macam bukaan katup sambungan terkecil.

4. Untuk kecepatan konstan dengan beban variasi atur bukaan katup (4) pada

kecepatan putaran turbin tertentu. Kecilkan beban pada timbangan pegas

(1) dan catat semua parameter yang diperlukan. Lakukan hal ini hingga

pembebanan terkecil.

5. Parameter pengujian yang perlu dicacat adalah

Kecepatan putaran poros turbin (n)

Beban pada timbangan pegas (F)

Tekanan pada Nozzle (p)

Selisih ketinggian tabung u (h)

BAB V

ANALISA DATA

4.1. Data Hasil Pengujian

4.1.1. Data Pengujian Pada Beban Konstan

Pengujian Beban Konstan

NoBeban F (Kg) Putaran n (Rpm) Tekanan P h

(Kg) (Rpm) (Kg/cm^2) (cm)

1 0,5 471 0,15 0,5

2 0,5 493 0,15 0,5

3 0,5 1321 0,2 0,89

4 0,5 1407 0,4 5,2

5 0,5 1304 0,5 7,7

6 0,5 1395 0,55 9,5

`4.1.2. Data Pengujian Pada Putaran Konstan

Pengujian Putaran Konstan

NoBeban F (Kg) Putaran n (Rpm) Tekanan P h

(Kg) (Rpm) (Kg/cm^2) (cm)

1 0,5 1443 0,5 6,7

2 0,1 1443 0,49 6,2

3 0,15 1443 0,48 6,2

4 0,2 1443 0,45 5,8

5 0,25 1443 0,43 5,8

6 0,3 1443 0,42 5,7

4.2. Perhitungan Data Pengujian

16

4.2.1 Untuk Beban Konstan

a. Head Pompa

H = P x 10,343

= 0,15x 10,343

=1,5514 mka

b. Kapasitas

Q = k x A x Cv .x hg..2

= 1,56 x 0,00002826 x. 0.98 x 5.06,1381,92 xxx

= 0,00049903 m3/s

c. Water Horse Power (WHP)

WHP = 102

.. HQρ

= 102

1,5514 0,000499031000 xx

= 0,00759015 KW

d. Brake Horse Power (BHP)

BHP = 60100

2

x

xnxFxRx π

= 6120

47114,3205,05,0 xxxx

= 0,012082843 KW

e. Efisiensi

U = 60

1xnxDπ

= 60

4711,014,3 xx

= 2.4649 m/s

V = Cv. ).6,13.(.2 hg

= 0,98. 5,0.6,13.81,9.2

= 11.31957 m/s

f. Efisiensi Hidrolik )( hη

hη = 2

).(2

V

UUV −

.100%

= 2)11.31957(

2.4649). 2.4649 11.31957.(2 −

= 0.34

g. Efisiensi Mekanis )( mη

=mη WHP

BHP

18

= 0,00759015

30,01208284

= 1,59191081 %

Dengan cara yang sama untuk percobaan selanjutnya dapat dihitung

analisa datanya, dan ditabelkan sebagai berikut :

o Beban Konstan

Pengujian Beban Konstan

NoH Q WHP BHP

(%)mka m^3/dt KW KW

1 1,5514 0,00049903 0,00759015 0,012082843 1,59191081

2 1,5514 0,00049903 0,00759015 0,012647222 1,66626758

3 2,0686 0,000665789 0,01350247 0,033888399 2,50979303

4 4,1372 0,001609324 0,06527544 0,036094608 0,55295848

5 5,1715 0,001958336 0,09928954 0,033452288 0,33691653

6 5,6886 0,002175222 0,12131341 0,035786765 0,2949943

o Putaran Konstan

Pengujian Putaran Konstan

NoH Q WHP BHP

(%)mka m^3/dt KW KW

1 5,1715 0,001757566 0,08911029 0,037018137 0,41541931

2 5,068 0,001690713 0,08400524 0,007403627 0,08813292

3 4,9646 0,001690713 0,08229133 0,011105441 0,13495276

4 4,6543 0,001635265 0,07461778 0,014807255 0,19844138

5 4,4474 0,001635265 0,07130076 0,018509069 0,25959148

6 4,344 0,001621107 0,06904007 0,022210882 0,32171004

4.3. Grafik Hubungan Parameter

a. Beban Konstan

Pengaruh Head terhadap Putaran

GARFIK HEAD VS PUTARAN

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 2 3 4 5 6 7

HEAD (m)

PU

TA

RA

N (

rpm

)

Jika melihat grafik hubungan head dengan putaran diatas, dapat

ditarik kesimpulan bahwa semakin tinggi headnya maka putarannya

semakin meningkat yaitu pada putaran 471 Rpm dengan head 5.1715.

bahwa head turbin berbanding lurus dengan putaran.

Pengaruh Daya tehadap Putaran

20

Pengaruh Daya terhadap Putaran

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 0,05 0,1 0,15

Daya

Pu

tara

n

Pada grafik hubungan antara putaran dengan daya diatas terlihat

bahwa terjadi peningkatan daya dari 0.00759015 Kw sampai dengan

0.12131341. Artinya bahwa semakin tinggi putaran maka semakin tinggi

pula daya yang dihasilkan. Ini menunjukkan adanya hubungan linier

antara besarnya putaran terhadap daya yang dihasilkan.

Pengaruh Efisiensi tehadap Putaran

GRAFIK PUTARAN VS EFISIENSI

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 500 1000 1500

PUTARAN (rpm)

EF

ISIE

NS

I (%

)

Grafik tersebut menjelaskan bahwa efisiensi semakin turun dengan

bertambahnya putaran. Terjadi penurunan efisiensi dari 1.59191081 %

menjadi 0.2949943 %. Ini menunjukkan hubungan berbanding terbalik

antara efisiensi dengan putaran.

b. Putaran Konstan

Pengaruh Head terhadap Kapasitas

Pengaruh Head Terhadap Kapasitas

0,0016

0,00162

0,00164

0,00166

0,00168

0,0017

0,00172

0,00174

0,00176

0,00178

4,2 4,4 4,6 4,8 5 5,2 5,4

Kapasitas

Head

Hubungan kenaikan head dari 4.344 maka pada kapasitas

0,001621107 m³/det sampai pada head 5,1715 maka diikuti dengan

kenaikan kapasitas sampai 0,001757566, berarti hubungan antara head

22

dengan kapasitas berbanding lurus. Jadi semakin besar nilai kapasitasnya

maka headnya semakin besar pula.

Pengaruh Daya terhadap Kapasitas

Pengaruh Daya Terhadap Kapasitas

0,0016

0,001620,00164

0,00166

0,001680,0017

0,00172

0,001740,00176

0,00178

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1

Daya

Kap

asit

as

Dari garfik diatas dapat ditarik sebuah kesimpulan bahwa terjadi

kenaikan daya seiring dengan kenaikan kapasitas karena semakin besar

kapasitas fluida yang mengalir maka semakin besar pula daya yang

dihasilkan sesuai dengan persamaan P = ρ . Q . H ini menunjukkan

bahwa terjadi hubungan linier antara kapasitas dengan daya yang

dihasilkan turbin.

Pengaruh Efisiensi terhadap Kapasitas

GRAFIK KAPSITAS VS EFISIENSI

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,0016 0,00165 0,0017 0,00175 0,0018

KAPASITAS (m^3/s)

EF

ISIE

NS

I (%

)%

Grafik diatas menunjukkan bahwa efisiensi semakin turun dengan

bertambahnya kapsitas. Dan terjadi hubungan berbanding terbalik antara

kapasitas dengan efisiensi turbin. Ini sesuai dengan persamaan

HQ

N

..ρη =

.

24

BAB V

KESIMPULAN

5.1. Kesimpulan

1. Untuk variabel beban ( putaran konstan )

Hubungan antara head ( H ) ,WHP, BHP dengan kapasitas adalah

bahwa semakin menurun kapasitas ( Q ) maka nilai H, WHP, BHP,

juga akan menurun.

Hubungan daya dengan kapasitas berbanding lurus yaitu jika

dayanya naik maka kapasitas juga naik begitu juga sebaliknya.

Hubungan antara efisiensi terhadap kapasitas adalah

Untuk efisiensi turbin terhadap kapasitas berbanding lurus

yaitu kenaikan putaran akan diikuti dengan naiknya nilai

efisiensi.

Untuk efisiensi hidrolik terhadap putaran berbanding terbalik

yaitu jika kapasitas menurun maka efisiensinya akan naik.

2. Untuk variabel putaran ( beban constan )

Hubungan antara head dan putaran adalah berbanding lurus semakin besar

headnya maka putaran semakin besar.

DAFTAR PUSTAKA

Aris Munandar, W. 1988. Penggerak Mula Turbin. ITB. Bandung.

Prietz Dietzel. 1980. Pompa, Turbin Dan Kompresor. Erlangga. Jakarta

Patty, O.F. 1995. Tenaga Air. Erlangga. Jakarta.

Team Laboratorium Uji Mesin UMM. 2005. Petunjuk Praktikum Pengujian

Mesin. Universitas Muhammadiyah Malang. Malang

26