Turbin air mesin fluida ajar

7,379 views
7,020 views

Published on

Sejarah
Teori Pengoperasian
Jenis–Jenis Turbin Air
Desain dan Apikasi
Pemeliharaan
Pengaruh Pada Lingkungan

Published in: Education
3 Comments
8 Likes
Statistics
Notes
No Downloads
Views
Total views
7,379
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
6
Actions
Shares
0
Downloads
319
Comments
3
Likes
8
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Turbin air mesin fluida ajar

  1. 1. TURBIN AIR
  2. 2.  Sejarah Teori Pengoperasian Jenis–Jenis Turbin Air Desain dan Apikasi Pemeliharaan Pengaruh Pada Lingkungan End
  3. 3. Kincir air Kincir air sudah sejak lama digunakan untuk tenaga industri. Pada mulanya yang dipertimbangkan adalah ukuran kincirnya, yang membatasi debit dan head yang dapat dimanfaatkan. Perkembangan kincir air menjadi turbin modern membutuhkan jangka waktu yang cukup lama. Perkembangan yang dilakukan dalam waktu revolusi industri menggunakan metode dan prinsip ilmiah. Mereka juga mengembangkan teknologi material dan metode produksi baru pada saat itu. Kincir air merupakan sarana untuk merubah energi air menjadi energi mekanik berupa torsi pada poros kincir. Ada beberapa tipe kincir air yaitu :1. Kincir Air Overshot2. Kincir Air Undershot3. Kincir Air Breastshot4. Kincir Air Tub
  4. 4. Sumber. http://osv.org/education/WaterPower Kincir Air OvershotKincir air overshot bekerjabila air yang mengalir jatuhke dalam bagian sudu-sudusisi bagian atas, dan karenagaya berat air roda kincirberputar. Kincir air overshotadalah kincir air yang palingbanyak digunakandibandingkan dengan jeniskincir air yang lain.Sumber. http://osv.org/education/WaterPower
  5. 5. Keuntungan Tingkat efisiensi yang tinggi dapat mencapai 85%. Tidak membutuhkan aliran yang deras. Konstruksi yang sederhana. Mudah dalam perawatan. Teknologi yang sederhana mudah diterapkan di daerah yang terisolir. Kerugian Karena aliran air berasal dari atas maka biasanya reservoir air atau bendungan air, sehingga memerlukan investasi yang lebih banyak. Tidak dapat diterapkan untuk mesin putaran tinggi. Membutuhkan ruang yang lebih luas untuk penempatan. Daya yang dihasilkan relatif kecil.
  6. 6. Kincir Air Undershot Kincir air undershot bekerja bila air yang mengalir, menghantam dinding sudu yang terletak pada bagian bawah dari kincir air. Kincir air tipe undershot tidak mempunyai tambahan keuntungan dari head.Tipe ini cocok dipasang pada perairan dangkal pada daerah yang rata. Tipe ini disebut juga dengan ”Vitruvian”. Disini aliran air berlawanan dengan arah sudu Gambar Kincir air Undershot yang memutar kincir. Sumber. http://osv.org/education/WaterPower
  7. 7. Keuntungan Konstruksi lebih sederhana Lebih ekonomis Mudah untuk dipindahkanKerugian Efisiensi kecil Daya yang dihasilkan relatif kecil
  8. 8. Kincir Air Breastshot Kincir air Breastshot merupakan perpaduan antara tipe overshot dan undershot dilihat dari energi yang diterimanya. Jarak tinggi jatuhnya tidak melebihi diameter kincir, arah aliran air yang menggerakkan kincir air disekitar sumbu poros dari kincir air. Kincir air jenis ini menperbaiki kinerja dari kincir air tipe under shot Gambar Kincir air BreastshotSumber. http://osv.org/education/WaterPower
  9. 9. Keuntungan Tipe ini lebih efisien dari tipe under shot Dibandingkan tipe overshot tinggi jatuhnya lebih pendek Dapat diaplikasikan pada sumber air aliran datarKerugian Sudu-sudu dari tipe ini tidak rata seperti tipe undershot (lebih rumit) Diperlukan dam pada arus aliran datar Efisiensi lebih kecil dari pada tipe overshot
  10. 10. Kincir Air Tub Kincir air Tub merupakan kincir air yang kincirnya diletakkan secara horisontal dan sudu- sudunya miring terhadap garis vertikal, dan tipe ini dapat dibuat lebih kecil dari pada tipe overshot maupun tipe undershot. Karena arah gaya dari pancuran air menyamping maka, energi yang diterima oleh kincir yaitu energi potensial dan Gambar Kincir air Breastshot kinetik. Sumber. http://osv.org/education/WaterPower
  11. 11.  Keuntungan  Memiliki konstruksi yang lebih ringkas  Kecepatan putarnya lebih cepat Kerugian  Tidak menghasilkan daya yang besar  Karena komponennya lebih kecil membutuhkan tingkat ketelitian yang lebih teliti
  12. 12. Penggunaan Kincir Air Mesin penggiling gandum Mesin penggiling gandum dengan penggerak kincir air sudah digunakan sejak abad pertama sebelum masehi, pada jaman kerajaan Romawi dan walaupun terkesan kuno tapi mesin penggiling ini masih tetap dipakai sampai sekarang. Mesin pemintal benang Mesin pemintal benang yang digerakan oleh kincir air ini pertama kali diperkenalkan oleh dua insinyur Inggris, adalah Richards Arkwright dan James Hargreaves yang pada tahun 1773. dan mulai dibuat di USA pada tahun 1780-an. Pada
  13. 13.  abad ke-19 penggunaan mesin ini sudah digunakan untuk pembuatan secara massal, jadi orang tidak lagi membuat pakaiannya sendiri.Mesin gergaji kayu Mesin gergaji kayu dengan penggerak kincir air banyak ditemukan di New England,USA, pada tahun 1840-anMesin tekstil Mesin tekstil dengan penggerak kincir air ini digunakan oleh industri tekstil pada abad ke-19. karena sumber energinya berupa air, maka pengeluaran untuk produksi dapat diminimalisir. Tetapi seiring dengan perkembangan teknologi, lambat laun mesin ini mulai ditinggalkan
  14. 14. Turbin airKata "turbine" ditemukan oleh seorang insinyur Perancis yangbernama Claude Bourdin pada awal abad 19, yang diambil dariterjemahan bahasa Latin dari kata "whirling" (putaran) atau "vortex"(pusaran air). Perbedaan dasar antara turbin air awal dengan kincirair adalah komponen putaran air yang memberikan energi padaporos yang berputar. Komponen tambahan ini memungkinkan turbindapat memberikan daya yang lebih besar dengan komponen yanglebih kecil. Turbin dapat memanfaatkan air dengan putaran lebihcepat dan dapat memanfaatkan head yang lebih tinggi. (Untukselanjutnya dikembangkan turbin impulse yang tidak membutuhkanputaran air).
  15. 15. Gambaran Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk tenaga industri untuk jaringan listrik. Sekarang lebih umum dipakai untuk generator listrik. Turbin kini dimanfaatkan secara luas dan merupakan sumber energi yang dapat diperbaharukan.
  16. 16. Runtutan Sejarah Sebuah sudu turbin Francis yang menghasilkan daya hampir 1 juta hp. Sedang dipasang pada bendungan Grand Coulee.Sebuah sudu tipe baling-baling yang menghasilkandaya 28 ribu hp.
  17. 17. Runtutan Sejarah turbin aliran keluar or kedalamJán Andrej Segner mengembangkan turbin air reaksi pada pertengahan tahun1700. turbin ini mempunyai sumbu horizontal dan merupakan awal mula dariturbin air modern. Turbin ini merupakan mesin yang simpel yang masihdiproduksi saat ini untuk pembangkit tenaga listrik skala kecil. Segner bekerjadengan Euler dalam membuat teori matematis awal untuk desain turbin.Pada tahun 1820, Jean-Victor Poncelet mengembangkan turbin alirankedalam.Pada tahun 1826, Benoit Fourneyon mengembangkan turbin aliran keluar.Turbin ini sangan efisien (~80%) yang mengalirkan air melalui saluran dengansudu lengkung satu dimensi. Saluran keluaran juga mempunyai lengkunganpengarah.Pada tahun 1844, Uriah A. Boyden mengembangkan turbin aliran keluar yangmeningkatkan performa dari turbin Fourneyon. Bentuk sudunya mirip denganturbin Francis.
  18. 18. Runtutan SejarahTurbin francis Pada tahun 1849, James B. Francis meningkatkan efisiensi turbin reaksi aliran kedalam hingga lebih dari 90%. Dia memberikan test yang memuaskan dan mengembangkan metode engineering untuk desain turbin air. Turbin Francis dinamakan sesuai dengan namanya, yang merupakan turbin air modern pertama. Turbin ini masih digunakan secara luas di dunia saat ini.
  19. 19. Turbin prancis
  20. 20. Runtutan Sejarah turbin kaplanTurbin air aliran kedalam mempunyai susunan mekanis yang lebih baikdan semua turbin reaksi modern menggunakan desain ini. Putaran massaair berputar hingga putaran yang semakin cepat, air berusaha menambahkecepatan untuk membangkitkan energi. Energi tadi dibangkitkan padasudu dengan memanfaatkan berat jatuh air dan pusarannya. Tekanan airberkurang sampai nol sampai air keluar melalui sirip turbin danmemberikan energi.Sekitar tahun 1890, bantalan fluida modern ditemukan, sekarangumumnya digunakan untuk mendukung pusaran turbin air yang berat.Hingga tahun 2002, bantalan fluida terlihat mempunyai arti selama lebihdari 1300 tahunSekitar tahun 1913, Victor Kaplan membuat turbin Kaplan, sebuah tipemesin baling-baling. Ini merupakan evolusi dari turbin Francis tetapidikembangkan dengan kemampuan sumber air yang mempunyai headkecil.
  21. 21. Turbin kaplan
  22. 22. Sebuah Konsep Baru turbin pelton Pada umumnya semua turbin air hingga akhir abad 19 (termasuk kincir air) merupakan mesinreaksi; tekanan air yang berperan pada mesin dan menghasilkan kerja. Sebuah turbin reaksimembutuhkan air yang penuh dalam proses transfer energi. Pada tahun 1866, tukang pembuat gilingan di California, Samuel Knight menemukan sebuahmesin yang mengerjakan tuntas sebuah konsep yang berbeda jauh. Terinspirasi dari system jettekanan tinggi yang digunakan dalam lapangan pengeboran emas hidrolik, Knight mengembangkanceruk kincir yang dapat menangkap energi dari semburan jet, yang ditimbulkan dari energi kinetik airpada sumber yang cukup tinggi (ratusan kaki) yang dialirkan melalui sebuah pipa saluran. Turbin inidisebut turbin impulse atau turbin tangensial. Aliran air mendorong ceruk disekeliling kincir turbinpada kecepatan maksimum dan jatuh keluar sudu dengan tanpa kecepatan. Pada tahun 1879, Lester Pelton, melakukan percobaan dengan kincir Knight,dikembangkanlah desain ceruk ganda yang membuang air kesamping, menghilangkan beberapaenergi yang hilang pada kincir Knight yang membuang sebagian air kembali melawan kincir. Sekitartahun 1895, William Doble mengembangkan ceruk setengah silinder milik Pelton menjadi cerukberbentuk bulat memanjang, termasuk sebuah potongan didalamnya yang memungkinkan semburanuntuk membersihkan masukan ceruk. Turbin ini merupakan bentuk modern dari turbin Pelton yangsaat ini dapat memberikan efisiensi hingga 92%. Pelton telah memprakarsai desain yang efektif,kemudian Doble mengambil alih perusahaan Pelton dan tidak mengganti namanya menjadi Doblekarena nama Pelton sudah dikenal. Turgo dan turbin aliran silang merupakan desain turbin impulse selanjutnya.
  23. 23. Turbin peltonTurbin pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri darisatu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yangdisemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nosel.Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang palingefisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untukhead tinggi. gambar sudu pelton http://en.wikipedia.org/wiki/pelton_wheelhttp://en.wikipedia.org/wiki/pelton_wheel http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf
  24. 24. Teori Pengoperasian
  25. 25. Teori Pengoperasian Aliran air diarahkan langsung menuju sudu-sudu melalui pengarah, menghasilkan daya padasirip. Selama sudu berputar, gaya bekerja melalui suatu jarak, sehingga menghasilkan kerja. Dalamproses ini, energi ditransfer dari aliran air ke turbin. Turbin air dibedakan menjadi dua kelompok, yaitu turbin reaksi dan turbin impuls. Kepresisian bentuk turbin air, apapun desainnya, semua digerakkan oleh suplai tekanan air.
  26. 26. Turbin Reaksi Turbin reaksi digerakkan dengan air, yang merubah tekanan sehingga melewati turbin danmenaikkan energi. Turbin reaksi harus menutup untuk mengisi tekanan air (pengisap) atau merekaharus sepenuhnya terendam dalam aliran air. Hukum ketiga Newton menggambarkan transfer energi untuk turbin reaksi Turbiin air yang paling banyak digunakan adalah turbin reaksi. Turbin reaksi digunakan untukaplikasi turbin dengan head rendah dan medium.
  27. 27. DayaTenaga yang didapat dari aliran air adalah,   P = η × ρ × g × h × iDimana · P = Daya (J/s or watts)· η = efisiensi turbin· ρ = massa jenis air (kg/m3)· g = percepatan gravitasi (9.81 m/s 2)· h = head (m). Untuk air tenang, ada perbedaan berat antara permukaan masuk dan keluar. Perpindahan air memerlukan komponen tambahan untuk ditambahkan untuk mendapatkan aliran energi kinetik. Total head dikalikan tekanan head ditambah kecepatan head.· i = aliran rata-rata (m3/s)
  28. 28. Pompa Penyimpanan Beberapa turbin air didesain untuk pompapenyimpan hidroelektrik. Pompa ini dapatmengalirkan dan mengoperasikan pompa untukmemenuhi reservoir tinggi selama listrik tidakberoperasi dan kemudian kembali ke turbin untukmembangkitkan daya selama permintaan listriktidak beroperasi. Turbin tipe ini biasanya berupadesain turbin Deriaz atau Francis.
  29. 29. Efisiensi Turbin air modern dioperasikan pada efisiensi mekanislebih dari 90% (tidak terpengaruh efisiensi termodinamika).
  30. 30. Jenis-Jenis Turbin Air
  31. 31. Jenis-Jenis Turbin Air Turbin reaksi· Francis· Kaplan, Propeller, Bulb, Tube, Straflo· Tyson· Kincir air Turbin Impuls· Pelton· Turgo· Michell-Banki (juga dikenal sebagai turbin crossflow atau ossberger).
  32. 32. Desain dan Aplikasi
  33. 33. Desain dan Aplikasi Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang didapatkan dan kurang lebih pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan untuk tempat dengan head tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head rendah. Turbin Kaplan baik digunakan untuk semua jenis debit dan head, efisiiensinya baik dalam segala kondisi aliran. Turbin kecil (umumnya dibawah 10 MW) mempunyai poros horisontal, dan kadang dipakai juga pada kapasitas turbin mencapai 100 MW. Turbin Francis dan Kaplan besar biasanya mempunyai poros / sudu vertikal karena ini menjadi penggunaan paling baik untuk head yang didapatkan, dan membuat instalasi generator lebih ekonomis. Poros Pelton bisa vertikal maupun horisontal karena ukuran turbin lebih kecil dari head yang di dapat atau tersedia. Beberapa turbin impuls menggunakan beberapa semburan air tiap semburan untuk meningkatkan kecepatan spesifik dan keseimbangan gaya poros.
  34. 34. Tipe Penggunaan Head· Kaplan 2<H<40 (H=head dalam meter)· Francis 10<H<350· Pelton 50<1300· Turgo 50<H<250
  35. 35. Kecepatan Spesifik Kecepatan spesifik (ns), menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak berhubungan denganukurannya. Hal ini menyebabkan desain turbin baru yang diubah skalanya dari desain yang sudahada dengan performa yang sudah diketahui. Kecepatan spesifik merupakan kriteria utama yangmenunjukkan pemilihan jenis turbin yang tepat berdasarkan karakteristik sumber air. Kecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan sebagai kecepatan ideal,persamaan geometris turbin, yang menghasilkan satu satuan daya tiap satu satuan head. Kecepatan spesifik tubin diberikan oleh perusahaan (dengan penilaian yang lainnya) dan danselalu dapat diartikan sebagai titik efisiensi maksimum. Perhitungan tepat ini menghasilkan performaturbin dalam jangkauan head dan debit tertentu.
  36. 36. Kecepatan Spesifik P ns = n H 5 / 4 , n = rpm Ω P/ρ Ns = gH 5 / 4 , Ω = kecepatan sudut (radian/detik)Gambar diadaptasi dari European Communitys LaymansGuidebook (on how to develop a small hydro site)
  37. 37. Kecepatan Spesifik Contoh: Diketahui debit dan head dari sebuah sumber air dan rpm kebutuhan dari generator.Hitunglah kecepatan spesifiknya. Hasilnya merupakan kriteria utama dalam pemilihan turbin. Kecepatan spesifik juga merupakan titik awal dari analisis desain dari sebuah turbin baru.Sekali kecepatan spesifik yang diinginkan diketahui, dimensi dasar dari bagian-bagian turbin dapatdihitung dengan mudah. Hukum Affinity mengijinkan keluaran turbin dapat diperkirakan berdasarkan dari testpermodelan. Replika miniatur dari desain yang diusulkan, diameter sekitar satu kaki (0,3 m), dapatdiuji dan hasil pengukuran laboratorium dapat digunakan sebagai kesimpulan dengan tingkatkeakuratan yang tinggi. Hukum Affinity didapatkan dari penurunan yang membutuhkan persamaanantara test permodelan dan penggunaanya. Debit yang melalui turbin dikendalikan dengan katub yang besar atau pintu gerbang yangdisusun diluar sekeliling pengarah turbin. Perubahan head dan debit dapat dilakukan dengan variasibukaan pintu, akan menghasilkan diagram yang menunjukkan efisiensi turbin dengan kondisi yangberubah-ubah.
  38. 38. Putaran Liar Putaran liar turbin air adalah kecepatan saat debitmaksimum dengan tanpa beban poros. Turbin didesainuntuk bertahan dari gaya mekanis dengan kecepatan ini.Perusahaan akan memberikan putaran liar yang diijinkan.
  39. 39. Pemeliharaan
  40. 40. Pemeliharaan Sebuah turbin Francis dalam masa akhir penggunaanya, menunjukkan lubang kavitasi, retakan kelelahan dan kerusakan besar. Dapat dilihat bekas perbaikan sebelumnya dengan las stainless steel. Turbin didesain untuk bekerja dalam jangka waktu puluhan tahun dengan sangat sedikit pemeliharaan pada elemen utamanya, interval pemeriksaan total dilakukan dalam jangka waktu beberapa tahun. Pemeliharaan pada sudu, pengarah dan part lain yang bersentuhan dengan air termasuk pembersihan, pemeriksaan dan perbaikan part yang rusak. Keausan umumnya adalah lubang akibat kavitasi, retakan kelelahan dan pengikisan dari benda padat yang tercampur dalam air. Elemen baja diperbaiki dengan pengelasan, umumnya dengan las stainless steel. Area yang berbahaya dipotong atau digerinda, kemudian dilas sesuai dengan bentuk aslinya atau dengan profil yang diperkuat. Sudu turbin tua mungkin akan mempunyai banyak tambahan stainless steel hingga akhir penggunaannya. Prosedur pengelasan yang rumit mungkin digunakan untuk mendapatkan kualitas perbaikan terbaik. Elemen lainnya yang membutuhkan pemeriksaan dan perbaikan selama pemeriksaan total termasuk bantalan, kotak paking dan poros, motor servo, sistem pendingin untuk bantalan dan lilitan generator, cincin seal, elemen sambungan gerbang dan semua permukaan.
  41. 41. Pengaruh Pada lingkungan
  42. 42. Pengaruh Pada Lingkungan Turbin air mempunyai pengaruh positif dan negatif bagi lingkungan. Turbin adalah salah satu penghasil tenaga terbersih, menggantikan pembakaran bahan bakarfosil dan menghapuskan limbah nuklir. Turbin menggunakan energi terbarukan dan dedesain untukberoperasi dalam jangka waktu puluhan tahun. Turbin memproduksi sumber energi listrik duniadengan jumlah yang besar. Dalam sejarah turbin juga mempunyai konsekuensi negatif. Putaran sudu atau gerbangpengarah dari turbin air dapat mengganggu ekologi natural sungai, membunuh ikan, menghentikanmigrasi dan menggangu mata pencaharian manusia. Contohnya, suku Indian Amerika di PasificNorthwest mempunyai mata pencaharian memancing ikan salmon, tapi pembangunan dam secaraagresif menghancurkan jalan hidupnya. Hingga akhir abad 20, dapat dimungkinkan untukmembangun sistem pembangkit tenaga air yang mengalihkan ikan dan organisme lainnya darisaluran masuk turbin tanpa kerusakan atau kehilangan tenaga yang berarti. Sistem akan memerlukansedikit pembersihan tetapi secara pada dasarnya lebih mahal untuk dibangun. Di Amerika Serikatsekarang menahan migrasi ikan adalah ilegal, sehingga tangga ikan harus disediakan olehpembangun bendungan.

×