Laporan Turbin Francis

MODUL DAN LAPORAN PRAKTIKUM TURBIN AIR FRANCIS

BAB I PENDAHULUAN 1.1

Latar Belakang

Seiring dengan perkembangan teknologi yang semakin maju, banyak diciptakan peralatan – peralatan yang inovatif serta tepat guna. Dalam bidang teknik mesin terutama pada konsentrasi

konversi energi diperlukan

pengetahuan tentang bagaimana

menghasilkan suatu sumber energi yang nantinya akan berguna untuk masyarakat luas. Diantaranya adalah pemanfaatan aliran air yang dapat digunakan untuk menghasilkan tenaga listrik. Dan alat tersebut dapat berupa instalasi turbin khususnya turbin air. Turbin air memanfaatkan aliran air untuk menggerakkan poros yang biasanya dihubungkan dengan generator sehingga dapat menghasilkan energi listri k. Turbin air francis merupakan jenis turbin yang paling sering digunakan karena turbin air francis dapat beroperasi pada elevasidan debit aliran sedang serta perkembangannya dalam dekade terakhir telah memberikan dampak yang besar dalam pengembangan aplikasi-aplikasi baru. Dengan dilaksanakannya praktikum turbin air Francis ini diharapkan mahasiswa akan memiliki pengetahuan tentang mesin konversi energi yang dalam hal ini adalah turbin air.

1.2

1.

Tujuan Praktikum

Mahasiswa mampumemahami hubungan antara daya yang dapat dibangkitkan turbin dan kecepatan putar turbin pada head konstan. konstan.

2.

Mahasiswa mampu memahami hubungan antara efisiensi dan kecepatan putaran turbin pada head konstan. konstan.

3.

Mahasiswa mampu memahami hubungan antara efisiensi dan kecepatan putaran turbin pada bukaan guide bukaan guide vane berbeda. vane berbeda.

4.

Mahasiswa mampu menganalisis hasil pengujian.

PRAKTIKUM MESIN KONVERSI ENERGI

1


BAB II Tinjauan Pustaka 2.1

Dasar Teori Turbin Air

2.1.1

Pengertian Turbin Air

Turbin air adalah suatu mesin konversi energi yang berfungsi mengkonversikan atau mengubah bentuk energi potensial (head ( head elevasi) atau head tekanan tekanan yang dimiliki air ke bentuk energi mekanik pada poros turbin. Energi potensial yang tersimpan pada fluida yang diam pada ketinggian tertentu berubah menjadi energi tekanan sebelum fluida masuk ke guide vane vane (GV), kemudian sebagian atau seluruh energi tekanan diubah menjadi energy kinetik pada waktu fluida melewati guide vane vane (GV). Selanjutnya energi tersebut akan menggerakkan sudu gerak dan menghasilkan energi mekanik pada poros turbin.

Energi mekanik tersebut nantinya digunakan untuk

memutar generator yang dihubungkan ke poros turbin, dimana generator ini berfungsi untuk merubah energi mekanik menjadi energi listrik. Gambar 1.1 menunjukkan instalasi turbin air.

Gambar 2.1 : Instalasi turbin air Sumber : Dietzel (1996:17)

Energi fluida persatuan berat/head berat/head terdiri terdiri dari head elevasi, head tekanan dan head kinetik. Pada titik TPA hanya terdapat head elevasi, elevasi, sedangkan head tekanan tekanan dan head kinetiknya sama dengan nol. Pada titik 1 dan 2 head elevasi lebih rendah dibanding pada titik TPA, karena sebagian head elevasi dikonversi menjadi head tekanan dan kecepatan (head (head kinetik).Ketika melewati turbin, sebagian energi fluida


2


BAB II Tinjauan Pustaka 2.1

Dasar Teori Turbin Air

2.1.1

Pengertian Turbin Air

Turbin air adalah suatu mesin konversi energi yang berfungsi mengkonversikan atau mengubah bentuk energi potensial (head ( head elevasi) atau head tekanan tekanan yang dimiliki air ke bentuk energi mekanik pada poros turbin. Energi potensial yang tersimpan pada fluida yang diam pada ketinggian tertentu berubah menjadi energi tekanan sebelum fluida masuk ke guide vane vane (GV), kemudian sebagian atau seluruh energi tekanan diubah menjadi energy kinetik pada waktu fluida melewati guide vane vane (GV). Selanjutnya energi tersebut akan menggerakkan sudu gerak dan menghasilkan energi mekanik pada poros turbin.

Energi mekanik tersebut nantinya digunakan untuk

memutar generator yang dihubungkan ke poros turbin, dimana generator ini berfungsi untuk merubah energi mekanik menjadi energi listrik. Gambar 1.1 menunjukkan instalasi turbin air.

Gambar 2.1 : Instalasi turbin air Sumber : Dietzel (1996:17)

Energi fluida persatuan berat/head berat/head terdiri terdiri dari head elevasi, head tekanan dan head kinetik. Pada titik TPA hanya terdapat head elevasi, elevasi, sedangkan head tekanan tekanan dan head kinetiknya sama dengan nol. Pada titik 1 dan 2 head elevasi lebih rendah dibanding pada titik TPA, karena sebagian head elevasi dikonversi menjadi head tekanan dan kecepatan (head (head kinetik).Ketika melewati turbin, sebagian energi fluida


2


dirubah menjadi kerja pada poros turbin, sehingga total energi pada TPB lebih kecil dari pada head fluida pada titik TPA.

2.1.2

1.

Klasifikasi dan Prinsip Kerja Turbin Air

Turbin impuls Turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya merubah energi potensial

(head elevasi) yang dimiliki air menjadi energi mekanik yang memutar poros turbin. Pada saat fluida akan memasuki sudu pengarah head elevasi dirubah menjadi head tekanan. Pada turbin impuls,hampir seluruh head tekanan dirubah menjadi energy kinetik pada sudu pengarah ( guide vane/nozzle).Sehingga vane/nozzle).Sehingga air yang keluar dari nozzle memiliki kecepatan tinggi untuk membentur sudu turbindan tekanan pada air tidak berubah saat melalui ataupun keluar dari sudu gerak (runner ). ). Setelah membentur runner kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse ( impulse). ). Akibatnya poros turbin akan berputar. Salah satu contoh turbin impuls adalah turbin Pelton. Turbin Pelton memiliki 2 bagian utama yaitu sudu gerak (runner) ( runner)dan dan sudu pengarah (nozzle). nozzle). Runner terdiri dari poros turbin, piringan dan beberapa mangkuk turbin pelton yang digunakan untuk memanfaatkan energi potensial yang dimiliki air dengan aliran kecil.

Gambar 2.2 : Turbin pelton Sumber : Dixson : Dixson (2010:310)


3


2.

Turbin Reaksi Turbin reaksi adalah turbin yang cara kerjanya merubah energi potensial

(head elevasi) yang dimiliki air menjadi energi mekanik yang memutar poros turbin. Energi potensial berubah menjadi energi tekanan saat akan memasuki sudu pengarah/ guide vane/nozzle. Pada turbin reaksi perubahan energi tekanan menjadi energi kinetik terjadi pada sudu pengarah (nozzle) dan sudu gerak (runner ).Energi kinetik menggerakkan sudu gerak dan memutar poros turbin sehingga menjadi energi mekanik pada poros turbin.

Gambar 2.3 : Turbin Reaksi Sumber : Dietzel (1996:45)

Macam – macam turbin reaksi: a. Turbin Francis Turbin francis yaitu turbin yang memiliki 3 bagian utama yaitu rumah turbin (casing ), sudu gerak (runner ) dan sudu pengarah (nozzle) yang mengelilingi runner dimana semua komponen tersebut terbenam ke dalam air. Turbin air francis merupakan turbin air yang paling banyak digunakan karena turbin ini dapat bekerja secara efisien pada berbagai kondisi operasi. Head air dan kapasitas aliran air merupakan parameter masukan yang vital yang mempengaruhi performa/kinerja dari turbin air. Turbin air francis mampu memberikan efisiensi tinggi bahkan

jika ada variasi yang banyak dalam

parameter aliran air yang masuk. ( Head : 45 – 400 m dan Kapasitas : 10 – 700 m3/s) PRAKTIKUM MESIN KONVERSI ENERGI

4


Bagian terpenting dari turbin air francis adalah sudu geraknya (runner). Runner dilengkapi dengan kumpulan bilah pisau yang bentuknya kompleks. Dalam sudu gerak (runner), air masuk dengan arah radial l alu keluar dengan arah aksial. Ketika air mengalir melewati blade runner, energi kinetik dan energi tekan akan turun karena dikonversikan menjadi energi mekanik. Runner terhubung dengan generator melalui poros untuk menghasilkan energi listrik.

Gambar 2.4 : Turbin francis Sumber : Dietzel (1996:47)

b. Turbin Kaplan (Turbin baling-baling) Turbin Kaplan merupakan mesin konversi energi yang tepat digunakan ketika energi air yang tersedia memiliki head rendah dan kapasitas aliran air yang sangat besar. ( Head berkisar 2 s/d 25 m dan Kapasitas Aliran 70-800 m3/s).Turbin Kaplan tepat digunakan untuk pengoperasian dalam reservoir atau bendungan yang besar dan memiliki ketinggian/elevasi yang relatif rendah. Karena penggunaannya dalam kapasitas aliran air yang sangat besar, tentunya ukuran turbin Kaplan juga sangat besar bahkan memiliki ukuran terbesar diantara semua jenis turbin air. Pada turbin Kaplan aliran air masuk ke dalam ruang berbentuk spiral. Luasan area dari ruang spiral yang berkurang menghasilkan aliran air yang masuk ke sudu pengarah ( guide vane) memiliki kecepatan yang sama. Aliran air


5


yang melintasi sudu pengarah lalu melewati sudu gerak (runner ). Lalu aliran air keluar melalui draft tube. Kebutuhan daya (listrik) dapat berfluktuasi dari waktu ke waktu. Mengontrol kapasitas alir air yang masuk merupakan cara yang paling efisien untuk memenuhi kebutuhan listrik. Ketika kebutuhan listrik listrik sedang tinggi maka sudu pengarah ( guide vane) akan terbuka lebar sebaliknya jika kebutuhan listrik rendah maka sudu pengarah akan tertutup.

Gambar 2.5 : Turbin kaplan Sumber : Dixson (2010:326)


6


3. Perbedaan turbin impuls dan turbin reaksi

Gambar 2.6 : Grafik hubungan P-v pada turbin impuls dan reaksi Sumber : Arismunandar (1998) Pada turbin impuls perubahan energi tekanan menjadi energi kinetik hampir seluruhnya terjadi pada sudu pengarah ( guide vane), sedangkan pada sudu gerak takanan dan kecepatan relatif fluida tidak berubah. Pada gambar 2.6 kecepatan yang terlihat pada grafik adalah kecepatan absolut fluida. Pada sudu gerak kecepatan absolut fluida berkurang karena digunakan untuk memutar poros turbin (berubah menjadi energi mekanik). Sedangkan pada turbin reaksi perubahan energi tekanan menjadi energi kinetik terjadi pada sudu pengarah dan sudu gerak. Pada turbin impuls ketika air melewati sudu pengarah (nozzle) kecepatan akan meningkat serta tekanannya akan turun. Ketika air melewati sudu gerak (runner ) tekanan dan kecepatan relatifnya tidak berubah. Sebaliknya pada turbin reaksi,ketika air melewati sudu

pengarah

(nozzle)

tekanannya

akan

turun

dan

kecepatannya

akan

meningkat,demikian juga ketika air melewatisudu gerak (runner) tekanannya juga turun dan kecepatan relatif fluida meningkat, bagaimanapun juga kecepatan absolut fluida menurun karena ada perubahan dari energi kinetik menjadi energi mekanik pada poros turbin.


7


2.2

Turbin Air Francis dan Prinsip Kerjanya

2.2.1

Bagian-bagian Turbin Air Francis

Turbin francismerupakan 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 gerak turbin yang berfungsi mengubah energi kinetik menjadi energi mekanik.

Gambar 1.7 : Runner Sumber:Laboratorium Mesin-Mesin Fluida Teknik Mesin Universitas Brawijaya b. Casing Merupakan saluran yang menyerupai rumah siput dengan bentuk penampang melintang lingkaran. Berfungsi untuk menampung fluida sebelum melewati guide vane dan runner .

Gambar 1.8 : Casing Sumber : Laboratorium Mesin-Mesin Fluida Teknik Mesin Universitas Brawija ya


8


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 1.9 : Guide vane Sumber : Laboratorium Mesin-Mesin Fluida Teknik Mesin Universitas Brawijaya

d. Pipa Inlet Merupakan bagian yang berfungsi untuk meneruskan air yang akan masuk ke casing .

Gambar 1.10 : Pipa inlet Sumber : Laboratorium Mesin-Mesin Fluida Teknik Mesin Universitas Brawijaya

e. Draft Tube Merupakan bagian yang berfungsi untuk meneruskan air dari turbin ke saluran pembuangan dengan menggunakan tinggi jatuh air.Pengaplikasian draft tube juga dapat mengurangi dampak kavitasi yaitu mengubahhead kecepatan menjadi head statis. PRAKTIKUM MESIN KONVERSI ENERGI

9


Gambar 1.11 : Draft Tube Sumber : Laboratorium Mesin-Mesin Fluida Teknik Mesin Universitas Brawijaya

2.2.2

Prinsip Kerja Turbin air Francis

Turbin francis bekerja dengan memakai prinsip kerja turbin reaksi.Air masuk ke guide vane memiliki tekanan tinggi, kemudian dirubah menjadi energi kinetik. Perubahan dari energi tekanan menjadi energi kinetik secara keseluruhan terjadi pada sudu pengarah.Dari sudu pengarah air melewati sudu gerak. Pada sudu gerak ( runner ) tidak terjadi perubahan tekanan dan kecepatan relatif fluida. Tetapi kecepatan absolut fluida berkurang ketika melewati runner , karena fluida menumbuk dan menggerakkan sudu gerak yang selanjutnya memutar poros turbin, yang juga merupakan poros sudu gerak. Disini terjadi perubahan energi kinetik menjadi energi mekanik. Turbin francis merubah energi fluida menjadi kerja yang berupa putaran pada poros turbin. Perubahan atau energi fluida sebelum masuk turbin dan sesudah keluar dari turbin disebut sebagai head drop. Head fluida adalah total energi yang dimiliki oleh fluida tiap satu satuan berat, terdiri dari energi potensial, energi tekanan dan energi kinetik. Perubahan energi pada turbin air Francis secara garis besar adalah dari energi potensial menjadi energi tekanan sebelum masuk guide vane, kemudian menjadi energi kinetik setelah keluar dari guide vane dan selanjutnya menjadi energi mekanik pada poros turbin yang dikelilingi oleh sudu gerak.


10


Energi potensial (E p) adalah energi yang tersimpan pada benda karena kedudukannya/ketinggiannya.Sebagai contoh, energi potensial air adalah energi yang dimiliki air karena ketinggiannya dari permukaan referensi. E p = m.g.h Energi kinetik (E k ) adalah energi suatu benda karena bergerak dengan kecepatan V, contohnya air yang bergerak. Ek =

   

Energi mekanik (E m) adalah penjumlahan darienergi kinetik dengan energi potensial. Em = Ek + E p

2.3

Teori dan Persamaan yang Mendukung Percobaan

2.3.1

Persamaan Bernoulli

Persamaan Bernoulli adalah suatu persamaan energi fluida incompressible dan tanpa gesekan dalam aliran steady pada satu garis arus ( stream line). Persamaan bernoulli menyatakan bahwa total energi fluida adalah konstan sepanjang saluran/aliran fluida. Energi fluida terdiri dari energi tekanan, energi kinetik dan energi potensial. Walaupun total energi fluida adalah konstan, tetapi besar masing-masing komponen energi bisa berbeda dan berubah sepanjang aliran fluida. Misalnya terdapat aliran air dalam pipa yang tidak terletak horisontal, terdapat perbedaan ketinggian (h1 dan h2). Persamaan bernoulli pada aliran fluida tersebut adalah: Energi potensial + Energi kinetik + Energi tekanan = konstan m.g.h + P.V + ½.m.v 2 = konstan Persamaan energi spesifik (tiap satu satuan berat):

m.g.h + P. V + ½.m.v  m.g.h + P. V + ½.m. v = .  .  m.g.h P. V ½.m.v m.g.h P. V ½.m.v + + = + + .  .  .  .  .  .  P v P v h + + = h + + 2 2   Dimana : P = Tekanan h = ketinggian

(N/m2) (m)


11


g = Percepatan gravitasi

(m/s2)

v = Kecepatan Aliran

(m/s)

 = 

(kg/(m2.s2))

.g

Syarat berlakunya hukum bernoulli : 1. Alirannya steady 2. Fluida incompressible 3. Non viscous 4. Aliran fluida sepanjang stream line

Untuk hubungannya dengan turbin semakin tinggi (h), energi potensial yang dihasilkan semakin besar sehingga akan berpengaruh pada energi kinetik dalam menumbuk sudu gerak (runner ). Dengan bertambahnya energi kinetik yang menumbuk runner maka putaran yang dihasilkan akan semakin besar.

2.3.2

Persamaan Kontinuitas

Persamaan ini menyatakan jumlah netto massa fluida yang melewati permukaan suatu kontrol volum sama dengan perubahan massa dalam kontrol volum tersebut. Pada aliran steady, tidak ada perubahan massa fluida dalam kontrol volum. Sehingga massa fluida masuk ke kontrol volum (titik 1) sama dengan massa fluida yang keluar kontrol volum (titik 2). 

m1





m2

..= ρ1.v1.A1= ρ2.v2.A2  )   v = kecepatan ( ) 

Keterangan :  ̇ = massa alir(

A= Luas penampang (m 2)


12


Gambar 1.12 : Aliran Fluida Dalam Tabung Sumber : Zakapedia ( 2013 )

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 1.13 : Segitiga kecepatan pada sudu turbin reaksi Sumber : Dietzel (1996:16)

Pada turbin reaksi, guide vane mengarahkan aliran air masuk ke sudu dengan sudut α2, dengan kecepatan absolut V2. Pada ujung guide vane besar kecepatan tangensial adalah u2, dengan u 2=r 2 ω.Air masuk ke sudu gerak dengan kecepatan relatif w2dengansudut sebesar β2. Profil sudu tersebut menyebabkan perubahan arah dan besar kecepatan air selama mengalir pada sudu, dan pada sisi outlet besar kecepatan relatif air adalah w1, dan kecepatan tangensial fluida adalah u 1=r 1 ω. K ecepatan tangensial sudu pada sisi outlet lebih kecil dari sisi inlet u2 > u1 akibat r 2 > r 1. Maka jika dijumlahkan PRAKTIKUM MESIN KONVERSI ENERGI

13


vektor w1 dan u1 maka akan didapatkan nilai kecepatan absolut air di sisi outlet v 1 yang lebih kecil dari sisi inlet . Artinya energi kinetik dari air diubah menjadi energi mekanik pada saat air melewati sudu gerak (runner ).

2.3.4

Rumus Perhitungan

1. Head Drop Turbin (H) H



H 2



H 1

(m)

Dimana : H1 = Head keluar turbin H2 = Head masuk turbin

2. Debit yang melalui turbin/Orifice Plate (Q) Q

Dimana :

 P adalah



3.521

 P , (

m3 jam

)

perbedaan tekanan pada manometer orifice (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)

 =

2.. () 60

Dimana: n = Kecepatan putar turbin (rpm)


14


5. Water Horse Power (WHP)

 =

.. () 3600

Keterangan:  = water g

g = Percepatan gravitasi (m/s2)

6. Efisiensi () 

=

BHP x100% WHP


15


BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1

Variabel yang Diamati

3.1.1

Variabel Bebas

Variabel bebas adalah variabel yang mempengaruhi variabel terikat, yang bisa ditentukan sesuai dengan keperluan yang diinginkan. Dalam praktikum ini yang variabel bebasnya adalah kecepatan putaran.

3.1.2

Variabel Terikat

Variabel terikat adalah variabel yang hasilnya dipengaruhi oleh variabel bebas. Dalam praktikum ini yang termasuk variabel terikat adalah tekanan manometer pada orifice plate dan gaya pengereman. 3.1.3

Variabel Terkontrol

Variabel terkontrol adalah variabel nilainya dijaga tetap pada harga tertentu agar tidak mempengaruhi nilai variabel terikat selama proses pengambilan data. Dalam hal ini yang termasuk variabel kontrol adalah bukaan guide vane dan head drop.

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



Inc.Cluse

:F


16


b. Pipa penyalur air yang menghubungkan pompa dan turbin lengkap dengan orifice plat beserta pengukur tekanannya dan stop valve. c. Brake torque force spring balance atau neraca pegas. d. Bak penampung air dan v-notch dan pengukur tinggi permukaan e. Pipa penyalur air yang menghubungkan bak penampung dengan pompa f. Hand digital tachometer, digunakan untuk mengukur putaran poros turbin.

3.3

Instalasi Alat Percobaan dan Fungsi Bagian-Bagiannya

Berikut gambar instalasi alat dan bagian-bagiannya :

Gambar 1.14 : Skema instalasi pengujian turbin francis Sumber: Laboratorium Mesin-Mesin Fluida Universitas Brawijaya (2015) Keterangan gambar : 1. Bak Penampung Berfungsi untuk menampung air yang akan dialirkan menuju turbin maupun keluar turbin. 2. Pompa Sentrifugal


17


Berfungsi untuk memindahkan atau mengalirkan air dari bak penampung menuju turbin dan member tekanan pada air. 3. Katup Berfungsi untuk mengatur head drop. 4. Orifice Digunakan untuk mengetahui atau mengukur debit air yang mengalir melewati orifice berdasarkan perbedaan tekanan fluida sebelum dan sesudah melewati orifice. 5. Manometer Berfungsi untuk mengukur beda tekanan fluida pa da orifice. 6. Turbin Air Francis Digunakan untuk mengubah energi fluida kerja menjadi energi mekanik. 7. Dinamometer Berfungsi untuk mengukur gaya pengereman. 8. Pressure Gauge Inlet Berfungsi untuk mengukur tekanan fluida masuk turbin. 9. Pressure Gauge Outlet Berfungsi untuk mengukur tekanan fluida keluar t urbin. 10. Tachometer Berfungsi untuk menghitung putaran turbin.

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: PRAKTIKUM MESIN KONVERSI ENERGI

18


- 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 (beban pengereman = 0). 8. Tutup katup discharge dan matikan motor listrik penggerak pompa. 9. Percobaan selesai.


19


BAB IV PEMBAHASAN 4.1

Data Hasil Percobaan (Terlampir)

4.2

4.2.1

Pengolahan Data

Contoh perhitungan

Pada Putaran 2300 rpm dan bukaan guide vane 10 1. Head drop turbin (H) H = H2 – H1 (m) H = 18 m Catatan: perhitungan ini tidak mengabaikan perbedaan statik head antara kedua buah titik pengukuran 2. Debit yang melalui orifice plate (Q) debit aliran air untuk turbin Q = 3,521 .

 ∆

Q = 3,521 .

√ 122

(m3/jam)

Q = 38,89072 m 3/jam Dimana : ∆ tinggi kolom air raksa dalam satuan mmHg 3. Torsi (T) T=F.L T = 16 . 0,248 T = 3,968 Nm Dimana : F = gaya pengereman (N) L = panjang lengan gaya (m) = 0,248 m 4. Brake Horse Power (BHP) .. (Watt)   .,4 .  . ,98 BHP = 

BHP =

BHP = 955,22 watt Dimana: n = kecepatan putar turbin (rpm) PRAKTIKUM MESIN KONVERSI ENERGI

20


5. Water Horse Power (WHP) .. [Watt]  98 . 8,89 .8 WHP = 

WHP =

WHP = 1905,64 watt Dimana:

 = water.g = 1000 x 9,8 = 9800 kg/m 2.s G = percepatan gravitasi [m/s2]

6. Efisiensi ()  x 100%  =  955,  = 95,4 x 100%

 = 50 %


21


4.2.2

Grafik dan Pembahasan

4.2.2.1 Hubungan Putaran dan Daya Poros (BHP)

1600 1400 1200

) t t a 1000 w ( P H 800 B a y a 600 D

Daya (BHP) (watt) Poly. (Daya (BHP) (watt))

400 200 0 0

500

1000

1500

2000

2500

Putaran N (rpm)

Grafik 4.1 : Hubungan Putaran Terhadap Brake Horse Power (BHP)

Brake Horse Power (BHP) adalah kemampuan untuk melakukan gaya pengereman pada putaran poros turbin, adanya perubahan pada putaran poros turbin akan berpengaruh pada daya yang di hasilkan. Variabel yang berpengaruh terhadap BHP adalah putaran (n) dan torsi (T) dimana putaran dan torsi ini berbanding lurus dengan BHP sehingga kenaikan putaran dan torsi akan meningkatkan BHP. Pada Grafik Hubungan antara putaran poros turbin dan daya brake horse power (BHP) terlihat bahwa kenaikan putaran akan menaikkan nilai BHP. Hal ini sesuai dengan teori di atas. Akan tetapi kenaikan BHP tersebut mencapai nilai maksimum pada putaran 1610 rpm, dengan BHP sebesar 1504,48 watt, lalu mengalami penurunan ketika putarannya melebihi titik tersebut. Nilai BHP tertinggi tidak terjadi pada putaran 2300 rpm karena putaran tersebut terdapat kelembaman pada poros dimana poros dari keadaan berputar dipaksa untuk diam.


22


4.2.2.2 Hubungan Putaran dan Daya Fluida (WHP)

Grafik 4.2 : Hubungan Putaran Terhadap Water Horse Power (WHP)

Water Horse Power (WHP) adalah kemampuan yan di hasilkan air unuk memutar sudu-sudu pada turbin

Bisa dilihat di rumus bahwa faktor yang

mempengaruhi WHP adalah berat jenis air ( ) , debit air () dan head drop ( H ). Pada percobaab, berat jenis air besarnya tetap selama percobaan , begitu juga dengan head drop yang di tentukan pada awal percobaan, sehingga faktor yang mempengaruhi WHP adalah debit air. Pada grafk dapat dilihat bahwa semakin besar putara maka WHP nya akan menurun dan berada pada titik maksimal pada putara 460 rpm dengan daya 2396,84 watt. Setekag itu semakin besar putaran, WHP nya semakin turun. Hal ini di sebabkan karena semakin tinggi putaran, maka debit akan menurun dikarenakan rumah keong masih penuh sehingga terjadi tekanan balik pada orifice yang menyebabkan fluida tidak dapat masuk kedalam rumah keong sehingga debit menurun. Debit berbanding lurus dengan WHP, sehingga WHP akan menurun jika debit turun. .


23


4.2.2.3 Hubungan Putaran dan Efisiensi

80 70 60 50

% i s40 n e i s i f 30 E

Efisiensi % Poly. (Efisiensi %)

20 10 0 0

500

1000

1500

2000

2500

Putaran (RPM)

Grafik 4.3 : Hubungan Putaran Terhadap Efisiensi

Efisiensi menunjukkan kemampuan turbin untuk mengubah energi potensial air menjadi energi mekanik pada putaran poros berdasarkan teori efisiensi bergantung dari dari besarnya selisih antara BHP dan WHP dan semakin kecil nilai WHP efisiensinya akan semakin besar. Dari rumus terlihat bahwa efisiensi dipengaruhi oleh putaran (n), torsi (T), berat jenis air () , debit air ( ) dan head drop ( H ) dan kelima variabel hanya ada tiga variabel yang berpengaruh karena berat jenis air dan head drop dijaga tetap konstan selama percobaan sehingga dapat disimpulkan secara teoritis bahwa putaran dan torsi berbanding lurus dengan efisiensi, sedangkan debit air berbanding terbalik dengan efisiensi turbin. Pada grafik terlihat bahwa semakin besar nilai putaran maka efisiensi turbin juga akan meningkat hingga titik maksimal pada putaran 1840 rpm dengan efisiensi sebesar 68,05%. Namun jika putaran di tambah di atas 1840 rpm, efisiensi turbin akan mengalami penurunan. Hal ini disebabkan oleh putaran yang sangat tinggi, gaya pengereman akan turun dan torsi juga akan menurun yang menyebabkan tekanan balik pada orifice, sehingga debit air akan menurun yang menyebabkan WHP nya dan BHP menurun. Meskipun BHP dan WHP sama-sama turun, tapi penurunan BHP yang terjadi lebih besar sehingga efisiensinya turun. PRAKTIKUM MESIN KONVERSI ENERGI

24


4.2.2.4 Hubungan Putaran dan Daya Poros (BHP) pada bukaan GV Berbeda

1600 1400 1200 ) t t a w1000 ( ) P H 800 B ( a 600 y a D 400

GV 8 GV 9 GV 10 Poly. (GV 8) Poly. (GV 9) Poly. (GV 10)

200 0 0

500

1000

1500

2000

2500

Putaran (rpm)

Grafik 4.4 : Hubungan Putaran Terhadap Brake Horse Power Pada Bukaan Guide Vane Berbeda

Guide Vane adalah sudu pengarah fluida untuk menaikkan dan menurunkan tekanan. Pada grafik terlihat bahwa nilai guide vane (GV) memberikan pengaruh terhadap nilai BHP dimana grafik tertinggi adalah grafik dengan nilai GV 10 dengan nilai BHP 1505,48 watt pada putaran 1610 rpm, kemudian grafik paling rendah dengan nilai GV 9 dengan nilai daya BHP tertinggi 1204,94 watt pada putaran 1688 rpm. Semakin besar bukaan GV akan mengakibatkan aliran yang memasuki runner semakin banyak. Hal ini menyebabkan putaran poros (n) semakin besar, semakin besar putaran poros (n) maka nilai BHP akan semakin besar. Berdasarkan rumus terlihat bahwa BHP berbanding lurus dengan putaran poros (n) sehingga BHP meningkat seiring meningkatnya putaran, begitu juga sebaliknya. Pada grafik diatas menunjukkan adanya penyimpangan yang seharusnya pada GV 8 memiliki BHP lebih rendah dari GV 9. Hal ini di karenakan kecepatan pada bukaan GV 8 lebih besar dari bukaan GV 9 sehingga nilai putaran (n) semakin tinggi, yang menyebabkan nilai BHP pada GV 8 lebih besar dari bukaan GV 9, sehingga urutan BHP pada grafik di atas dari yang terbesar adalah bukaan GV 10, 8, 9.


25


4.2.2.5 Hubungan putaran dan Daya Fluida (WHP) pada bukaan GV berbeda

3000

2500

) t t a 2000 w ( ) P H1500 W ( a y a 1000 D

GV 8 GV 9 GV 10 Poly. (GV 8) Poly. (GV 9) Poly. (GV 10)

500

0 0

500

1000

1500

2000

2500

Puataran (rpm)

Grafik 4.5 : Hubungan Putaran Terhadap Water Horse Power Pada Bukaan Guide Vane Berbeda

Pada grafik terlihat bahwa semakin menurunnya putaran turbin, semakin menurunnya putaran turbin, semakin besar WHP nya. Dapat dilihat bahwa perbedaan nilai GV memberi pengaruh yang berbeda pula pada nilai WHP, dimana tertinggi pada posisi GV 10 dengan WHP nya 2396,84 watt pada putaran 460 rpm, kemudian terendah grafik dengan nilai GV 9 dengan WHP nya 1682,49 watt pada putaran 2110 rpm, naiknya WHP bila putaran semakin di perlambat disebabkan nilai  P yang terukur pada manometer semakin berakibat adanya tekanan balik sehingga menyebabkan nilai debit (Q) air semakin besar. Pada grafik diatas menunjukkan adanya penyimpangan yang seharusnya pada GV 9 memiliki nilai WHP lebih tinggi dari GV 8. Hal ini dikarenakan pada debit air (Q) pada bukaan GV 8 lebih besar dari bukaan GV 9, yang menyebabkan nilai WHP GV 8 lebih besar dari dari GV 9. Sehingga urutan WHP pada grafik diatas dari yang terbesar adalah bukaan GV 10, 8, 9.


26


4.2.2.6 Hubungan Putaran dan Efisiensi pada bukaan GV berbeda

80 70 60 GV 8

%50 i s n e 40 i s i f E30

GV 9 GV 10 Poly. (GV 8) Poly. (GV 9)

20

Poly. (GV 10) 10 0 0

500

1000

1500

2000

2500

Putaran (rpm)

Grafik 4.6 : Hubungan Putaran Terhadap Efisiensi Pada Bukaan Guide Vane Berbeda

Pada grafik hubungan putaran dan efisiensi pada bukaan GV berbeda dapat dilihat bahwa kurva grafik efisiensi dengan nilai efisiensi grafik dimana nilai GV 10 dengan efisiensi tertinggi daya BHP nya sebesar 68,05 % pada putaran 1840 rpm, kemudian grafik terendah dengan nilai GV 9 memiliki efisiensi sebesar 11,43 % pada putaran 211 rpm. Berdasarkan teori dan rumus dalam efisiensi,nilai efisiensi tergantung pada besarnya daya BHP dan daya WHP. Semakin besar nilai daya BHP dan semakin kecil nilai WHP maka efisiensi semakin besar. Pada Head Drop dan kecepatan putar turbin yang sama,semakin besar bukaan Guide Vane ,massa air yang menumbuk runner semakin besar, sehingga debit ( Q) alirannya semakin besar,semakin besar debit (Q) menyebabkan nilai WHP nya semakin besar. Semakin besar WPH menyebabkan nilai efisiensi semakin kecil sehingga urutan efisiensi terbesar ke terendah adalah pada bukaan 10, 9, 8.


27


4.2.2.7 Hubungan Putaran dan Daya Poros (BHP) pada H ead Drop berbeda

2000.00 1800.00 1600.00 1400.00

) t t a 1200.00 w ( ) P H1000.00 B ( a 800.00 y a D

HD 17 HD 18 HD 20 Poly. (HD 17)

600.00

Poly. (HD 18)

400.00

Poly. (HD 20)

200.00 0.00 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Putaran (rpm)

Grafik 4.7 : Hubungan Putaran Terhadap Brake Horse Power Pada Head Drop Berbeda

Head Drop adalah titik jatuh dari TPA ke TPB yang berbanding lurus dengan debit (Q). Pada grafik terlihat bahwa nilai head drop memberikan pengaruh terhadap nilai Brake Horse Power (BHP), dimana graik tertnggi adalah grafik dengan nilai HD 20, kemudian grafik paling rendah dengan nilai HD 17. Jika head drop nya semakin besar maka energi yang diberikan fluida saat menumbuk runner juga semakin besar sehinngga putaran semakin besar. Dari rumus terlihat bahwa bila head dropnya meningkat maka energi fluida yang diberikan keporos semakin besar, sedangkan F berbanding lurus dengan torsi dan torsi juga berbanding lurus dengan BHP juga akan meningkat. Selain itu semakin besar head drop maka nilai WHP akan besar, jika nilai WHP besar maka nilai BHP nya juga akan besar walau dibawah nilai WHP karena tidak mungkin nilaii BHP lebih besardari WHP bila dilihat dari rumus efisiensi. Sehingga urutan BHP terbesar ke terkecil pada variasi head drop adalah pada head drop H20, H18, H17.


28


4.2.2.8 Hubungan Putaran dan Daya Fluida (WHP) pada H ead Drop berbeda

3000.00

2500.00

) t t a 2000.00 w ( ) P H1500.00 W ( a y a 1000.00 D

HD 17 HD 18 HD 20 Poly. (HD 17) Poly. (HD 18) Poly. (HD 20)

500.00

0.00 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Putaran (rpm)

Grafik 4.8 : Hubungan Putaran Terhadap Water Horse Power Pada Head Drop Berbeda

Pada grafik terlihat bahwa semakin menurunnya putaran turbin,semakin besar WHP nya dapat dilihat bahwa perbedaan nilai head drop memberi pengaruh yang berbeda pula pada nilai WHP, dimana tertingi pada posisi H 20,kemuduan terendah pada grafik dengan nilai H 17. Seharusnya semakin besar Head Drop maka nilai WHP yang dihasilkan akan semakin besar ddengan kondisi bukaan GV yang sama. Dapat diketahui bahwa ( Q) berbanding lurus dengan ΔP sehingga bila terjadi penurunan ΔP maka akan menyebabkan menurunnya nilai (Q), sehingga secara otomatis nilai WHP juga cenderung menurun. Peningkatan putaran akan menyababkan menurunnya nilai ( Q) dikarenakan ruang masuk fluida kedalam chasing semakin kecil sehingga nilai (Q) turun yang mengakibatkan menurunnya niali WHP. Sehingga urutan nilai WHP terbesar ke terkecil pada variasi head drop adalah pada head drop H 20, H 18, H 17 .


29


4.2.2.9 Hubungan Putaran dan Efisiensi pada H ead Drop berbeda

80.00 70.00 60.00 50.00

HD 17

% i s n e 40.00 i s i f E

HD 18 HD 20 Poly. (HD 17)

30.00

Poly. (HD 18) 20.00

Poly. (HD 20)

10.00 0.00 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Putaran (rpm)

Grafik 4.9 : Hubungan Putaran Terhadap Efisiensi Pada Head Drop Berbeda

Pada grafik hubungan putaran dan efisiensi pada head drop berbeda dapat dilihat bahwa kurva grafik efisiensi dengan nilai efisiensi tertinggi dimiliki oleh grafik dengan nilai H 17, kemudian grafik terendah dengan nilai H 20. Berdasarkan teori dan rumus dalam efisiensi,nilai efisiensi tergantung pada besarnya daya BHP dan semakin kecil nilai WHP maka efisiensi semakin besar. Dari rumus terlihat bahwa WHP perbandingan terbalik dengan efisiensi. Jadi bila WHP besar maka nilai  akan semakin turun karena WHP dipengaruhi oleh besarnya head drop. Bila head drop nya meningkat maka energi fluida yang diberikan ke poros semakin besar, sehingga F semakin besar, sedangkan F berbanding lurus dengan torsi dan torsi berbanding lurus dengan BHP juga akan meningkat. Sehingga urutan efisiensi terbesar ke terkecil pada variasi head drop adalah H 17, H 18, H 20.


30



31


BAB V KESIMPULAN

5.1

Kesimpulan

Dari praktikum yang dilakukan diperoleh kesimpulan sebagai berikut : 1. Dengan adanya kecepatan putaran (rpm) yang semakin tinggi menyebabkan Brake Horse Power (BHP) semakin meningkat. 2. Putaran (rpm) yang semakin tinggi menyebabkan Water Horse Power (WHP) cenderung turun dikarenakan perbedaan tekanan (ΔP) tidak sama. 3. Semakin tinggi putaran (rpm),efisiensi turbin semakin tinggi hingga titik maksimum kemuduan mengalami penurunan, penurunan terjadi karena nilai BHP yang menurun namun tidak di ikuti penurunan nilai WHP yang signifikan 4. Bukaan GV (Guide Vane) yang semakin besar mengakibatkan Brake Horse Power (BHP) semakin tinggi. 5. Bukaan GV (Guide Vane) yang semakin besar mengakibatkan Water Horse Power (WHP) menglami kenaikan. 6. Bukaan GV (Guide Vane) yang semakin besar mengakibatkan efisiensi yang semakin tinggi dan Water Horse Power (WHP) juga akan semakin menurun, oleh karena itu efisiensi turbin juga akan semakin meningkat. 7. Head drop yang berbeda mempengaruhi nilai yang semakin menurun dikarenakan daya pengereman yang dibutuhkan untuk mengurangi putaran turbin lebih tinggi sehingga torsi yang dihasilkan tinggi dan BHP juga turun. 8. Head drop yang berbeda mempengaruhi nilai WHP yang semakin meningkat dikarenakan daya pengereman yang dibutuhkan untuk mengurangi putaran turbin lebih tinggi sehingga debit yang dipaki untuk menggerakkan runner lebih tinggi sehingga WHP juga menurun. 9. Head drop yang berbeda mempengaruhi nilai efisiensi yang semakin menurun dikarenakan nilai BHP lebih kecil daripada nilai WHP sehingga efisiensi turun.


32


1.5.2 Saran

1. Laboratorium - Peralatan dan mesin dalam laboratotium harus dirawat secara teratur agar terus berfungsi dengan baik dan meminimalisir penyimpangan data yang diambil saat praktikum. - Penerangan di laboratorium lebih ditambah saat malam hari agar saat praktikum dan pengambilan data kelihatan dengan jelas. 2. Praktikum - Pembagian asisten, sebaiknya untuk 2 alat pengujian mesin fluida diberikan tanggung jawab asistensi untuk 1 asisten saja. Agar lebih mudah untuk janjian asistensi. - Untuk putaran pada turbin setiap kelompok dibuat sama semua agar tidak banyak penyimpangan data 3. Asisten - Sebaiknya lebih menjelaskan detail dasar teori agar pada saat pembahasan mudah dipahami


33


LAMPIRAN


34


Data Kelompok Hasil Pengujian Turbin Air Francis

Data Kelompok 7 Bukaan Guide Vane 10 Head Drop 18 N0

∆P

n

Q

(mmHg) (m3/jam)

(rpm)

F

T

BHP

WHP

Efisiensi

(N)

(Nm)

(watt)

(Watt)

(%)

1

2300

122

38,89072

16

3,968

955,2299

1905,645091

50,12632579

2

2070

148

42,83481

26

6,448

1397,024

2098,905873

66,55961555

3

1840

159

44,39812

31

7,688

1480,606

2175,507913

68,05795946

4

1610

168

45,63738

36

8,928

1504,487

2236,231424

67,27778815

5

1380

178

46,976

40

9,92

1432,845

2301,823959

62,24823554

6

1150

184

47,76117

44

10,912

1313,441

2340,297219

56,12283157

7

920

186

48,02004

44

10,912

1050,753

2352,98185

44,65622433

8

690

192

48,78841

47

11,656

841,7963

2390,63195

35,21229271

9

460

193

48,9153

49

12,152

585,0783

2396,849469

24,41030615

10

230

189

48,40575

48

11,904

286,569

2371,881606

12,08192514

Data Antar Kelompok Dengan Variasi H ead Drop Berbeda pada Guide

Vane Sama pada Pengujian Turbin Air Francis Data Kelompok 6 Bukaan Guide Vane 10 Head Drop 17 NO

n (rpm)

AP (mmHg)

Q (m /jam)

F (N)

T (Nm)

BHP (Watt)

WHP (Watt)

Efisiensi (%)

1

2190

124

39,21

20,5

5,084

1165,95

1814,46

2 3 4 5 6 7 8 9 10

1971 1752 1533 1314 1095 876 657 438 219

150 159 168 175 183 187 188 188 189

43,12 44,40 45,64 46,58 47,63 48,15 48,28 48,28 48,41

26,5 31 35 35,5 36 43 44 45 45,5

6,572 7,688 8,68 8,804 8,928 10,664 10,912 11,16 11,284

1356,48 1410,51 1393,45 1211,45 1023,76 978,26 750,76 511,88 258,78

1995,64 2054,64 2111,98 2155,53 2204,26 2228,23 2234,20 2234,20 2240,12

64,26 67,97 68,65 65,98 56,20 46,44 43,90 33,60 22,91 11,55

3


35


Data Lab 1 Bukaan Guide Vane 10 Head Drop 20 NO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

n (rpm)

AP (mmHg)

Q (m3/jam)

F (N)

T (Nm)

BHP (Watt)

WHP (Watt)

Efisiensi (%)

2470 2223 1976 1729 1482 1235 988 741 494 247

133 165 170 194 201 206 208 208 209 210

40,61 45,23 45,91 49,04 49,92 50,54 50,78 50,78 50,90 51,02

20 27,5 31 40 42 42 45 46 48 48

4,96 6,82 7,688 9,92 10,416 10,416 11,16 11,408 11,904 11,904

1282,29 1586,84 1590,04 1795,21 1615,69 1346,41 1154,06 884,78 615,50 307,75

2210,78 2462,42 2499,45 2670,06 2717,80 2751,40 2764,72 2764,72 2771,36 2777,98

58,00 64,44 63,62 67,23 59,45 48,94 41,74 32,00 22,21 11,08

Data Antar Kelompok Dengan Variasi Guide Vane Berbeda pada H ead Drop Sama pada Pengujian Turbin Air Francis

Data Kelompok 5 Bukaan Guide Vane 9 Head Drop 18 N0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

N (rpm) 2110 1899 1688 1477 1266 1055 849 633 422 211

∆P

Q

(mmHg) (m3/jam) 95,1 105,4 115,1 120,3 125,9 130,3 135 135,2 135,8 135,9

34,3365 36,1482 37,7749 38,6188 39,5074 40,1919 40,9103 40,9406 41,0314 41,0465

F

T

BHP

WHP

Efisiensi

(N)

(Nm)

(watt)

(Watt)

(%)

17,8 23,2 27,5 31 34,3 35,5 37,5 40 40,5 42

4,4144 5,7536 6,82 7,688 8,5064 8,804 9,3 9,92 10,044 10,416


974,905525 1682,4895 1143,59704 1771,26039 1204,93941 1850,97165 1188,50842 1892,32148 1127,16605 1935,86456 972,167027 1969,40172 826,4166 2004,60583 657,23968 2006,09017 443,636784 2010,53663 230,033888 2011,27675

57,9442263 64,5640274 65,0976698 62,806898 58,2254602 49,3635715 41,2258903 32,7622202 22,0655907 11,4372071

36

Laporan Turbin Francis

Recommend Documents