TUGAS ENERGI AIR Oleh :
PERANCANGAN TURBIN FRANCIS TURBIN FRANCIS Turbin Francis merupakan turbin jenis reaksi yang bekerja karena tekanan pada roda turbin yang mengakibatkan roda turbin berputar dimana aliran air melalui rumah keong yang diarahkan dengan sudu pengarah menuju sudu jalan dari roda turbin. Daya yang dihasilkan oleh turbin dapat diatur dengan cara mengatur posisi sudu diam, sehingga aliran air yang menumbuk roda turbin dapat diatur. Prinsip kerja dari turbin francis ialah memanfaatkan energi jatuh air untuk memutar roda turbin. Roda turbin berputar dikarenakan cairan yang ada diantara sudu roda turbin memiliki energi mekanis, partikel cairan ini memiliki kecepatan keliling (U dengan arah menyinggung lingkaran. !kibatnya, !kibatnya, timbulah gaya sentrifugal. Dengan meningkatnya gaya sentrifugal membuat partikel cairan bergerak menuju pusat dari roda turbin dengan dengan kecepatan relati"e # yang arahnya arahnya menyinggung permukaan sudu. $edangkan kecepatan absolute % merupakan penjumlahan geometris dari U dan #.
KOMPONEN UTAMA TURBIN FRANCIS &. Penstok Penstock atau yang biasa disebut dengan pipa isap berfungsi sebagai tempat mengalirnya air dari 'aduk penampungan menuju rumah turbin (spiral casing. engubah energi kecepatan air menjadi energi tekan. ). Rumah Rumah Turbi Turbin n (spi (spiral ral casing casing *agian ini terdiri dari pipa baja yang mengelilingi runner blade, semakin ujung semakin mengecil sehingga disebut rumah siput. +al ini bertujuan agar aliran air menjadi lebih cepat guna mendorong roda turbin berputar, disisi lain tekanan air
didalamnya menjadi berkurang. Posisi dari inlet spiral casing tergantung pada saluran langsung air dari penstock yang mungkin akan merubah keserasian penempatan. . $udu Pengarah (-uide ane erupakan bagian dari turbin francis yang berfungsi sebagai pintu masuk air dari spiral casing menuju runner blade, selain itu guide "ane juga berfungsi sebagai distributor agar air dikelilingi runner mempunyaidebit yang sama rata (uniform, serta sebagai pengaman turbin pada saat terjadi gangguan. /. $udu -erak *agian ini disebut juga bilah rotor atau sudu gerak, pada runner blade energi kinetik (hidrolis air yang dikenakan padanya diubah menjadi energi mekanik. 0. Poros Utama *erfungsi mentransmisikan energi mekanik rotor kepada generator. Terbuat dari dua bagian utama yaitu bagian atas generator shaft yang dikopling dengan kopling tetap (mur dan baut. Pada bagian ba'ah berlapis yaitu inner shaft sehingga berfungsi sebagai penggerak runner blade dan main shaft. 1. *antalan Utama *erfungsi sebagai bantalan dari main shaft yang menahan goncangan bila turbin sedang beroperasi. !ntara bagian bergerak dan ujungnya dilindungi oleh labirin sea l liner. 2. Draf Tube *agian ini sebagai tempat mengalirnya air keluar dari runner dalam spiral casing menuju saluran pembuangan (tail race. Fungsi utama dari draft tube adalah untuk mengurangi kecepatan air ayang dibuang untuk meminimalkan kehilangan energi kinetik di outlet. Draft tube berperan penting menaikkan tekanan air agar berada diatas tekanan uapnya guna menghindari timbulnya ka"itasi.
PRINSIP KERJA TURBIN FRANCIS Turbin francis bekerja denngan memakai proses tekanan lebih. Pada saat air masuk ke roda jalan, sebagian dari energi tinggi jatuh telah bekerja di dalam sudu pengarah diubah sebagai kecepatan arus masuk. $isa energi tinggi jatuh dimanfaatkan3bekerja didalam sudu jalan, dengan adanya pipa isap memungkinkan energi tinggi jatuh bekerja di sudu jalan dengan semaksimum mungkin. Pada sisi sebelah keluar roda jalan terdapat tekanan kerendahan atau kurang dari & atmosfir dan kecepatan aliran air yang tinggi. Di dalam pipa isap kecepatan air akan berkurang dan tekanannya akan kembali naik, sehingga air bisa dialirkan keluar le'at saluran air ba'ah dengan tekanan seperti keadaan sekitarnya. Pipa isap pada turbin ini memiliki tugas yang mirip dengan sudu hantar yang terdapat pada pompa sentrifugal, turbin francis terdiri dari sudu pengarah dan sudu jalan, dan
kedua sudu tersebut semuanya terendam di dalam aliran air. !ir dialirkan kedalam sebuah cincin yang berbentuk spiral. Turbin yang dikelilingi dengan sudu pengarah semuanya terbenam di dalam air. !ir yang masuk kedalam turbin bisa dialirkan melalui pengisian air dari atas atau melaui suatu rumah yang berbentuk spiral. Roda jalan semuanya selalu bekerja. Daya yang dihasilkan turbin bisa diatur dengan cara mengubah posisi pembukaan sudu pengarah, dengan demikian kapasitas air yang masuk kedalam roda turbin bisa diperbesar atau diperkecil. Turbin francis dilaksanakan dengan posisi "ertikal atau horisontal.
HEAD LOSS PADA PIPA Pipa pesat 3 penstok merupakan saluran air yang berfungsi menghubungkan bak penampung pada ketinggian tertentu dengan rumah turbin. Dibuatnya pipa pesat bertujuan agar membuat aliran air tidak banyak terbuang ke sekitar. 4amun didalam pipa pesat juga terdapat beberapa losses yang mengakibatkan berkurangnya energi dari air itu sendiri, losses ini disebabkan karena adanya gesekan antara dinding pipa dengan aliran air ataupun karena bentuk dari fitting perpipaan yang dipakai pada penstock. Dengan adanya losses yang disebabkan adanya gesekan antara dinding pipa dengan aliran air menyebabkan berkurangnya +ead terhadap aliran, adapun persamaan untuk menghitung head loss mayor adalah 5
hl f =
L V
Dan persamaan untuk menghitung head loss minor akibat bentuk dari fitting perpipaan 5
V hlm k =
STUDI KASUS Data Input Peranan!an
Data a'al yang dipakai sebagai parameter dalam perancangan Turbin Francis ini diantaranya sebagai berikut 5 6 Pipa pesat dengan spesifikasi5 aterial 5 Thermoplastic PVC (Polyvinyl Chloride) pipes Schedule 80 Panjang
5 )77 m
Diameter pipa
5 77 mm (D&
6 Debit Desain Q
= 7.&0 m3s
6 Total +ead
8 07 m
6 Fluida 9erja air ta'ar, dengan properties 5
= ::; kg3m 8 &,7& < &7= 4.s /m2
Perh"tun!an Hea# Nett$
$etelah dilakukan perhitungan secara manual dan numerik didapat hasil perhitungan sebagai berikut5 $ebagai langkah pertama dilakukan perhitungan head netto setelah terlebih dahulu dilakukan perhitungan harga ) dengan menggunakan persamaan %olebrook, sebagai berikut 5
aka nilai head netto turbin yang didapatkan berdasarkan instalasi diatas adalah sebagai berikut 5
sehingga didapatkan 5
%& Perh"tun!an #a'a 'an! #"ha("l)an $leh tur*"n: Perh"tun!an P$ten("al Da'a
Perh"tun!an #a'a tur*"n
Perh"tun!an Keepatan Spe("+") Ber#a(ar)an La,u Al"ran
Dengan fiketahuinya putaran turbin (n, laju aliran air (> dan head turbin (+ yang akan dirancang melalui persamaan berikut 5
N"la" Putaran Spe("+") Tur*"n
Dengan diketahuinya putaran turbin (n, daya turbin ( ) dan head turbin (+ yang akan dirancang melalui persamaan berikut 5
Perh"tun!an D"a-eter P$r$(
Perhitungan diameter poros (Dsh didasarkan pada daya yang ditransmisikan ( oleh turbin, putaran turbin (n, dan tegangan puntir poros maksimum yang diijinkan . Dengan daya ( sebesar 22,// +p, putaran turbin (n &077 rpm, dan menggunakan bahan !ST" !#$% sebagai material poros karena !ST" !#$% yang memiliki tegangan puntir 8 077 kP3cm). Diameter poros dapat ditentukan dengan persamaan5
Dengan mempertimbangkan faktor radial thrust dan berat dari roda turbin yang nantinya akan dirancang maka diambil angka aman untuk diameter poros sebesar &77 mm. Perh"tun!an D"a-eter R$#a Tur*"n
Dengan s 8 :) rpm maka dapat dilihat dari sebesar 7,)0 dimana yang digunakan adalah untuk tingkat keamanan yang lebih baik. aka melalui perhitungan berikut didapatkan nilai dari parameter keluaran roda turbin.
Perh"tun!an D"a-eter R"- Pa#a S"(" Keluar R$#a
$etelah diketahui kecepatan aksial air keluar runner %)m sebesar 0,22/ m3s maka diameter rim runner pada sisi keluar (outlet, dihitung dari persamaan berikut 5
Perh"tun!an D"a-eter Hu* Runner
$etelah diketahui besar kecepatan tangensial sudu gerak pada sisi masuk yaitu sebesar )&,):2 m3s maka Diameter hub runner pada sisi masuk (inlet, D& i , dihitung dengan menggunakan persamaan berikut5
Perh"tun!an D"a-eter R"- Pa#a S"(" Ma(u)
Dengan menggunakan erbandingan harga diameter rim runner pada sisi keluar (D)a dan sisi masuk (D&a ditentukan dari hubungan yang diberikan +utte maka diameter rim pada sisi masuk (D&a dihitung dari hubungan diatas adalah5
Perh"tun!an D"a-eter Keluar Runner
Menentu)an Ju-lah Su#u
engacu pada buku mekanika fluida, termodinamika esin Turbo ($.?.Di
Le*ar R$#a Tur*"n
Dimana untuk putaran spesifik s = :& rpm didapat dari perbandingan &/'& 8 7,&0. aka dapat dihitung nilai dari lebar roda turbin.
sehingga diketahui inlet central streamline '! 8 &7 mm yang membantu dalam proses menentukan kelengkungan sudu roda turbin serta sebagai acuan dalam perancangan uide vane*
