I.
TUJUAN Setelah mempelajari dan melakukan percobaan turbin kaplan, diharapkan dapat ;
Menjelaskan fungsi dan cara kerja turbin kaplan.
Menghitung analisa tanpa dimensi, menghitung unit kecepatan, laju aliran, torsi dan daya.
II.
Karakteristik efisiensi turbin pada kecepatan poros yang berubah.
Memahami efek pembebanan yang terjadi, terhadap putaran.
DASAR TEORI Air merupakan salah satu sumber energi alternatif sebagai pengganti sumber energi konvensional yang ramah lingkungan dan posiif untuk pengembangannya. Besarnya daya yang dihasilkan tentunya tidak sebesar dengan daya yang dihasilkan dari sumber ernergi konvensional, namun banyak pihak yang mengembangkan energi alternatif hingga hasil dari koversi energi alternatif tersebut dapat mencukupi kebutuhan energi semua orang. Pengembangan yang sudah berjalan hingga saat ini yakni PLTA. Pada pembangkit tersebut terdapat peralatan mesin konversi fluida yakni, turbin air. Turbin air adalah turbin dengan air sebagai fluida kerja. Air mengalir dari tempat tinggi menuju ke tempat yang lebih rendah. Dalam hal ini air tersebut memiliki energi potensial. Dalam proses aliran di dalam pipa energi potensial berangsur-angsur berubah menjadi energi kinetik. Di dalam turbin energi kinetik air diubah menjadi energi mekanis, di mana air memutar roda turbin. Turbin kaplan ini direncanakan untuk laju aliran yang besar dengan tinggi tekanan rendah. Turbin kaplan ini mempunyai keuntungan bila dibandingkan dengan turbin francis , karena sudu-sudu turbin kaplan dapat diubah-ubah. Keuntungan ini akan memberikan karakteristik yang lebih baik, variasi tinggi tekanan yang besar, dan laju aliran yang dapat divariasi 2.1
Turbin Kaplan Turbin kaplan merupakan turbin reaksi, tinggi tekanan total merupakan penjumlahan
energi sebelum memasuki dan sesudah keluar turbin. Turbin kaplan merupakan turbin tekanan lebih yang spesial. Sudu jalan kemurniannya kecil dan pada saluran sudu jalan belokannya kecil. Sudu jalan dapat diatur saat bekerja, kedudukannya dapat diatur dan disesuaikan dengan tinggi jatuh air sehingga sesuai untuk pusat tenaga air pada aliran sungai. Turbin kaplan ini direncanakan untuk laju aliran yang besar dengan tinggi tekanan
rendah. Turbin kaplan ini mempunyai keuntungan bila dibandingkan dengan turbin francis, karena sudu-sudu turbin kaplan dapat diubah-ubah. Keuntungan ini akan memberikan karakteristik yang lebih baik, variasi tinggi tekanan yang besar, dan laju aliran yang dapat divariasi. Yang dapat diperhatikan yaitu tekanan keluar turbin karena tekanan keluaran turbin yang rendah dapat mengakibatkan kavitasi. Kavitasi akan menyebabkan effisiensi turun dan kerusakan pada sudu-sudu turbin.
Gambar 1. Turbin Kaplan Sumber. http://en.wikipedia.org/wiki/Kaplan_turbine
Bagian-bagian turbin kaplan adalah ; a. Rumah spiral b. Turbin c. Pipa pelepas air Turbin kaplan dengan tekanan rendah mempunyai 4 – 6 daun, sedang dengan tekanan tinggi terdiri dari 8 daun. Daun dibuat dari baja, tetapi ada juga yang dibuat dari baja tahan karat, yang lebih mampu menahan pengaruh kavitasi. Daun-daun turbin sekarang dibuat dari pelat baja yang di las, sehingga antara pelat turbin terdapat ruang kosong. Poros yang berlubang dibuat dari baja karbon tinggi (high-carbon steel) dengan kekuatan tarik minimal sebesar 500 N/mm². turbin Kaplan umumnya mempunyai hanya satu poros untuk turbin dan generator.
2.2
Parameter Pengukuran
Daya Hidrolik, NH (W) 𝑵𝑯 = 𝝆. 𝒈. 𝑸. 𝑯 H = Hs + Hd 𝜌 g Q H
= densitas air pada temperatur air tersebut (kg/m 3) = percepatan gravitasi pada tempat percobaan (m/s2) = laju aliran air (m3/s) = tinggi tekan (m)
Daya Turbin, NT (W) 𝑵𝑻 = 𝝉. 𝝎 𝑵𝑻 = n
= putaran (rpm),
𝜏
𝟐. 𝜫. 𝒏. 𝝉 𝟔𝟎
= torsi (Nm)
Efisiensi Turbin, η (%) η = ( NT / NH ) × 100 % Untuk berbagai kondisi kerja mesin, harga dari parameter tersebut akan bervariasi menunjukan kemampuan kerja mesin untuk suatu daerah kerja tertentu. 2.3
Parameter Tanpa Dimensi
Unit Kecepatan, 𝑵𝟏𝟏 =
𝒏. 𝑫 √𝑯
Unit Kapasitas Air 𝑸𝟏𝟏 =
𝑸 𝑫𝟐 √𝑯
Unit Torsi 𝝉 𝑻𝟏𝟏 = 𝑫𝟐 √𝑯
Unit Daya 𝑵𝑷𝟏𝟏 =
𝑷𝟑 𝑫𝟐 √𝑯𝟐
𝑬𝒇𝒇𝒊𝒔𝒊𝒆𝒏𝒔𝒊 𝑮𝒆𝒏𝒆𝒓𝒂𝒕𝒐𝒓 =
𝑬𝒇𝒇𝒊𝒔𝒊𝒆𝒏𝒔𝒊 𝑺𝒚𝒔𝒕𝒆𝒎 =
𝑷𝒐 𝑮𝒆𝒏𝒆𝒓𝒂𝒕𝒐𝒓 𝑵𝒑
𝑷𝒐 𝑮𝒆𝒏𝒆𝒓𝒂𝒕𝒐𝒓 𝑵𝑯
𝒙 𝟏𝟎𝟎%
𝒙 𝟏𝟎𝟎%
2.4
Instalasi Pengujian Instalasi pengujian untuk turbin kaplan sudut runernya dapat diubah-ubah sesuai kebutuhan pengujian. 2
7
6
10
P
11
T
1
n
3
P
P 8
5
Gambar 2. Instalasi Pengujian Turbin Kaplan Keterangan : 1. Pompa aliran aksial 2. Katup pengaturan 3. Pipa transferan impeler pompa 4. Manometer untuk pengukuran laju air 5. Meter tekanan isap 6. Pipa transparan 7. Plat orifice 8. Pipa tekanan / surge 9. Konsul kendali 10. Turbin Kaplan 11. Generator DC
2.5
Gambar Rangkaian Pembebanan pada Turbin Kaplan Excitation
Vg
Ig
Vex
Iex
Shunt
rpm
Seri
Nm
Load
L1
L1
L2
L2
L3
L3
Gambar 3. Rangkaian Pembebanan Terhadap Turbin Kaplan
III.
PROSEDUR PRAKTIKUM 3.1
Persiapan Praktikum a. Menyediakan alat tulis untuk mencatat data-data yang diamati, b. Menyediakan alat-alat ukur yang diperlukan, c. Memeriksa ulang (resetting) pembacaan/penunjukan alat-alat ukur , di antaranya: Torsimeter, manometer, volumemeter, rpm meter, voltmeter, ampermeter.
b. Memeriksa kesiapan mesin untuk dioperasikan (jumlah air / fluida kerja,
katup-
katup, catu listrik dari sumber utama). 3.2
Operasi dan pengamatan a. Buat rangkaian generator seperti pada gambar rangkaian pengujian turbin kaplan, b. Set kontrol
;
Kalibrasi alat ukur bila diperlukan,
Regulasi sumber tegangan untuk belitan medan pada posisi nol,
Posisi beban resitor bank pada posisi nol (tahanan sama dengan nol),
c. Atur sudu pompa seperti yang dikehendaki, d. Pilih dan atur sudut pengarah dan sudut sudu turbin pada sudut yang dikehendaki, pada pengujian sudut pengarah = 300 untuk sudu turbin pilih angka 3 yang menunjukan bukaan runer turbin. e. Bukaan penuh untuk valve di di sisi suck, sedangkan valve di sisi discharge pada kondisi tertutup penuh. f. Sambungkan hubungan generator ke beban. Buka katup pompa pelan-pelan hingga penuh, pada saat yang bersamaan bebani generator hingga pada kodisi nominal generator. Dengan pembebanan generator maka putaran turbin akan mengecil. g. Turunkan kecepatan turbin dengan menaikan beban hingga putaran yang diinginkan tercapai / kondisi generator pada kondisi nominal. g. Shut down MCB.
3.3
Operasi Sinkron Generator a. Buat rangkaian generator seperti pada gambar rangkaian pengujian turbin kaplan, b. Set kontrol
;
Kalibrasi alat ukur bila diperlukan,
Regulasi sumber tegangan untuk belitan medan pada posisi nol,
Posisi beban resitor bank pada posisi nol (tahanan sama dengan nol),
Hubungkan output generator dengan sumber tegangan yang akan disinkronkan,
c. Persyaratan sinkron generator
;
Besarnya tegangan generator sama terhadap sumber tegangan yang akan disikronkan,
Besarnya frekuensi generator sama dengan mengatur putaran generator atau putaran turbin,
d. Atur sudu pompa seperti yang dikehendaki,
e. Pilih dan atur sudut pengarah dan sudut sudu turbin pada sudut yang dikehendaki, pada pengujian sudut pengarah = 300 untuk sudu turbin pilih angka 3 yang menunjukan bukaan runer turbin. f. Bukaan penuh untuk valve di di sisi suck, sedangkan valve di sisi discharge pada kondisi tertutup penuh. g. Nyalakan pompa dengan posisi switch pada high, setelah pompa menyala atur putaran turbin hingga mencapai 1080 rpm dengan jalan mengatur bukaan valve debit air. Setelah putaran yang diinginkan tercapai maka perhatikan tegangan output generator mencapai 175 V, dengan mengatur besar nilai tegangan yang masuk pada belitan medan (nilai arus nominal pada belitan medan sebesar 0.4 dan arus nonminal yang melewati belitan jangkar sebesar 14.1 A). h. Setelah kondisi sinkron tercapai maka dilakukan pengujian pembebanan terhadap turbin dan generator dengan menambahkan beban berupa beban resistor. Apabila kondisi sinkron berubah akibat pembebanan maka pengaturan yang perlu dilakukan yakni;
Mengatur bukaan valve pengaturan debit air hingga dicapai kondisi sinkron semula,
Mengatur nilai arus yang masuk ke belitan hingga dicapai kondisi sinkron.
Kedua point diatas dapat dilakukan secara bersamaan.
g. Pengambilan data dilakukan hingga kondisi parameter generator pada kondisi nominal (arus jangkar dan arus eksitasi pada nilai nominal), h. Shut down circuit ;
kurangi secara bersamaan putaran turbin dengan jalan mengatur katup pengaturan debit air dan kurangi beban resistor bank perlahan dan amati arus generator jangan sampai pada nilai 0A.
setelah beban diturunkan dan kondisi parameter pengujian sinkron pada kondisi semula, maka kecilkan nilai tegangan eksitasi hingga mencapai nol volt. Setelah itu kecilkan putaran turbin hingga pada putaran nol rpm dan matikan pompa.
h. Shut down MCB.
IV. 4.1
DATA PENGAMATAN Data pengamatan pengujian turbin dengan kecepatan berubah-ubah
NO
Sudut Pengarah
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
30 30 30 30 30 30 30 30 30 30
Input
Output
Parameter Tanpa Dimensi
Q (m3/s)
Ps (W)
Pd (mH2O)
H (m)
NH (W)
Torsi (Nm)
n (rpm)
NT
0.072 0.072 0.07 0.0675 0.065 0.065 0.067 0.067 0.065 0.063
4.00 4.20 4.30 4.45 4.70 4.80 5.00 5.00 5.10 5.20
0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20
3.80 4.00 4.10 4.25 4.50 4.60 4.80 4.80 4.90 5.00
2587.47 2723.66 2714.20 2713.02 2766.21 2827.68 3041.42 3041.42 3012.10 2979.00
0.30 0.50 0.60 1.20 2.10 2.80 3.40 4.00 4.40 4.90
1500 1435 1390 1286 1179 1091 1018 945 890 815
47.10 75.10 87.29 161.52 259.14 319.74 362.27 395.64 409.87 417.99
Control Panel Va (V)
Ia (A)
Vfg
Ifg
Pout
150 156 159 160 155 146 137 128 120 109
0.00 2.10 3.00 5.40 7.10 8.50 9.80 10.80 11.60 11.70
76 77 77 77 77 76 77 77 76 77
0.16 0.16 0.16 0.16 0.16 0.15 0.16 0.16 0.15 0.16
0 327.6 477 864 1100.5 1241 1342.6 1382.4 1392 1275.3
ηG (%)
ηS (%)
0.00 436.23 546.44 534.91 424.67 388.13 370.61 349.41 339.62 305.11
0.00 12.03 17.57 31.85 39.78 43.89 44.14 45.45 46.21 42.81
ηT (%) 1.82 2.76 3.22 5.95 9.37 11.31 11.91 13.01 13.61 14.03
N11
Q11
P11
T11
157.74 147.09 140.73 127.88 113.94 104.28 95.25 88.42 82.42 74.72
0.88 0.86 0.82 0.78 0.73 0.72 0.73 0.73 0.70 0.67
8311.76 8101.30 7779.62 7368.20 6895.40 6820.03 6881.87 6881.87 6607.96 6340.27
9.16 14.51 16.99 32.77 54.17 70.65 82.22 96.73 104.23 113.75
4.2
Data pengamatan sinkronisasi Generator
NO
Sudut Pengarah
1 2 3 4 5 6 7
30 30 30 30 30 30 30
Input
Output
Parameter Tanpa Dimensi
Q (m3/s)
Ps
Pd (mH2O)
H (m)
NH (W)
Torsi (Nm)
n (rpm)
NT
0.057 0.058 0.059 0.062 0.067 0.072 0.08
3.1 3.5 5.7 4 4.8 5.6 7
0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
2.90 3.30 5.50 3.80 4.60 5.40 6.80
1563.27 1810.10 3068.84 2228.10 2914.69 3676.94 5144.68
0.3 0.4 1 1.7 2.8 4.3 7
1080 1080 1080 1080 1080 1080 1080
33.91 45.22 113.04 192.17 316.51 486.07 791.28
Control Panel Va (V)
Ia (A)
Vfg
Ifg
Pout
175 175 175 175 175 175 175
1.3 2.5 3.7 4.8 7.1 10.1 14.1
128 125 123 121 116 106 101
0.26 0.25 0.24 0.24 0.21 0.21 0.2
227.50 437.50 647.50 840.00 1242.50 1767.50 2467.50
ηG (%)
ηS (%)
670.85 967.58 572.81 437.12 392.56 363.63 311.84
14.55 24.17 21.10 37.70 42.63 48.07 47.96
η (%) 2.17 2.50 3.68 8.62 10.86 13.22 15.38
N11
Q11
P11
T11
130.01 121.88 94.41 113.58 103.23 95.28 84.90
0.80 0.76 0.60 0.76 0.74 0.74 0.73
7532.31 7184.94 5661.39 7157.35 7029.88 6972.49 6903.79
12.01 14.07 21.10 51.93 70.65 92.43 119.49
ηs = f (N11) 50.00 45.00
40.00 35.00
ηs (%)
30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00 120.00 140.00 160.00 180.00
N11
Q11 = f (N11) 1 0.9 0.8 0.7
Q11
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
0 0
20
40
60
80
100
N11
120
140
160
180
ηT = f (n) 16.00 14.00 12.00
ηT (%)
10.00
8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
n (rpm)
H = f (Q) 6.00
5.00
H (m)
4.00
3.00
2.00
1.00
0.00 0.062 0.063 0.064 0.065 0.066 0.067 0.068 0.069
Q(
m3/s)
0.07
0.071 0.072 0.073
ηs = f (N11) 60.00
50.00
ηs (%)
40.00
30.00
20.00
10.00
0.00 0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
140.00
80.00
100.00
120.00
140.00
N11
Q11 = f (N11) 0.80 0.79 0.78
Q11
0.77 0.76 0.75 0.74 0.73 0.72 0.00
20.00
40.00
60.00
N11
VI.
REFERENSI
Maridjo, Drs, 1995, Petunjuk Praktikum Mesin Konversi, Bandung: Pusat Pengembangan Pendidikan Politeknik.
Pujanarsa, Astu, Ir., MT, dan Nursuhud, Djati, Prof., Ir., MSME, 2006, Mesin Konversi Energi, Surabaya: C.V Andi Ofset.
