1. 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)
2. 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
3. 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.
4. 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
5. 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 :
6. 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
7. 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
2
22
11
2
11
.2.
2
.2.
z
g
v
g
p
HHHz
gg
p
A ++=−−+++
ρ
ν
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
P
vP
z
vP
y
vP
x .
.
.
.
.
.
.
. γ
γ
γ
γ
γ
γ
γ
γ
=++
8. 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(
...
r
V
v
dV
atau
dV
Re
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
V
Re
).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
9. energi tekanan : mp/ dalam (nm)]
sehingga energi yang dikandung air menjadi :
ρ
pmcm
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 ()
ρπ
ρ
π
/
tanker
tan
===
massaapa
mutlakkecepa
V
… (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)
10. 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
uuv
h
−
=η
( ) ( )det/......6.13.2. mhgvcv =
10
11. 60
.. nD
u
π
=
Efisiensi Mekanis
%100x
WHP
BHP
m =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:
12. 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
13. - 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
14. 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
15. 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)
16. BAB V
ANALISA DATA
4.1. Data Hasil Pengujian
4.1.1. Data Pengujian Pada Beban Konstan
Pengujian Beban Konstan
No
Beban 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
No
Beban 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
17. 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
1,55140,000499031000 xx
= 0,00759015 KW
d. Brake Horse Power (BHP)
BHP = 60100
2
x
xnxFxRx π
= 6120
47114,3205,05,0 xxxx
= 0,012082843 KW
18. 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).2.464911.31957.(2 −
= 0.34
g. Efisiensi Mekanis )( mη
=mη WHP
BHP
18
19. = 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
No
H 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
No
H 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
20. 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)
PUTARAN(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
21. Pengaruh Daya terhadap Putaran
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0 0,05 0,1 0,15
Daya
Putaran
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
22. GRAFIK PUTARAN VS EFISIENSI
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 500 1000 1500
PUTARAN (rpm)
EFISIENSI(%)
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
23. dengan kapasitas berbanding lurus. Jadi semakin besar nilai kapasitasnya
maka headnya semakin besar pula.
Pengaruh Daya terhadap Kapasitas
Pengaruh Daya Terhadap Kapasitas
0,0016
0,00162
0,00164
0,00166
0,00168
0,0017
0,00172
0,00174
0,00176
0,00178
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1
Daya
Kapasitas
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
24. 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)
EFISIENSI(%)
%
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
..ρ
η =
.
24
25. 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
26. 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
