Tugas Praktek Pelton

7/24/2019 Tugas Praktek Pelton

1/12

Abstrak

Sumber energi yang dapat diperbaharukan di Indonesia menurut sumber asean energy

salah satunya adalah mikrohidro yang memanfaatkan air sebagai sumber energi dari suatu

turbin. Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozel. Air keluar nozel yang

mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah

kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse) sehingga roda

turbin akan berputar. Turbin elton merupakan turbin impuls yang terdiri dari satu set sudu

jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut

nozel. Turbin elton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien dan sesuai

digunakan untuk headtinggi dan debit aliran yang kecil. Turbin elton mempunyai beberapa

keuntungan antara lain efisisensi turbin yang relatif stabil pada berbagai perubahan debit

aliran. Tujuan penulisan artikel ilmiah ini adalah untuk mengetahui dan memberikan

!a!asan tentang model sudu dan nozel pada Turbin elton sebagai embangkit "istrik

Tenaga #ikrohidro ("T#). #odel sudu dan nozel yang ber$ariasi akan memberi impulsyang baik untuk menghasilkan putaran turbin. %arakteristik model sudu turbin pada $ariasi

jarak nozel dapat menghasilkan efisiensi yang tinggi.

1. Pendahuluan

ada saat ini dunia sedang mengalami krisis energi dan khususnya Indonesia

mengalami krisis energi listrik secara nasional. "istrik merupakan salah satu kebutuhan hidupmanusia yang primer& sehingga diperlukan suatu instalasi pembangkit tenaga listrik yang

efisien. 'erbagai macam jenis pembangkit listrik telah banyak dibuat mulai dari turbin gas&

turbin uap& turbin air& kincir air dan solar cell dengan berbagai keuntungan dan kelebihan.

emanfaatan energi tenaga air (hydropo!er) di Indonesia juga sangat minim. Turbin pelton

merupakan salah satu jenis turbin air yang prinsip kerjanya memanfaatkan energi potensial

air sebagai energi listrik tenaga air. rinsip kerja turbin pelton adalah memanfaatkan daya

fluida dari air untuk menghasilkan daya poros.

engembangan sumber energi yang dapat diperbarahukan semakin meningkat sebagai

antisipasi makin berkurangnya sumber energi yang berasal dari fosil seperti minyak bumi dan

batubara. Turbin air berperan untuk mengubah energi air menjadi energi mekanik dalam

bentuk putaran poros. Turbin dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih cepat dan dapatmemanfaatkan headyang lebih tinggi. utaran poros turbin ini akan diubah oleh generator

menjadi tenaga listrik. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang

keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi

tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi

kecepatan.

Turbin elton pertama kali ditemukan oleh insinyur dari Amerika yaitu "ester A.

elton pada tahun*. Turbin ini dioprasikan pada head sampai ** m& turbin ini relati$e

membutuh kan jumlah air yang lebih sedikit dan biasanya porosnya dalam posisi mendatar.

Tujuan penulisan artikel ilmiah ini adalah untuk mengetahui dan memberikan !a!asan

tentang model sudu dan nozel pada Turbin elton sebagai embangkit "istrik Tenaga

#ikrohidro ("T#).


2/12

Gambar 1. Diagram kebutuhan tenaga potensial air di dunia

Gambar 2. Diagram kebutuhan tenaga potensial air di Asia Tenggara

%ebutuhan tenaga potensial air di Indonesia +*&,+, -h/tahun (sekitar 0+.10, #).


3/12

Gambar 3. Diagram kebutuhan tenaga potensial air di Indonesia

Tabel 1. Sumber Energi Terbarukan di Indonesia

2. Klasiikasi Turbin Air

. 'erdasarkan gerak air pada sudu yang bergerak

a. Turbin Impuls

Energi tekanan seluruhnya diubah menjadi energy kinetik& air menumbuk sudu pada tekanan

atmosfer sehingga tidak ada perubahan tekanan antara inlet dan outlet. Turbin ini juga

disebut sebagai 23elocity Turbine4

b. Turbin 5eaksi

'ekerja berdasarkan Tekanan pada inlet dan otlet dari turbin 2pressure turbine4 energy kinetic

dan tekanan memutar sudu turbin.

6. 'erdasarkan nama penemu


4/12

elton !heel& Turgo& -irard& 'anki adalah turbin impuls sedangkan 7rancis& %aplan dan

Thomson adalah turbin reaksi.

8. 'erdasarkan head dan jumlah air yang tersedia

a. 9igh head ( : 6** m) jumlah air sedikit& contohnya turbin impuls (turbin elton)

b. #edium 9ead (8*;6** m) jumlah air sedang& contohnya turbin reaksi (turbin 7rancis)c. "o! 9ead (< 8* m) jumlah air besar& contohnya turbin reaksi (turbin %aplan& turbin

propeller)

Gambar !. Klasiikasi Turbin Air

Gambar ". #ead pada Turbin Pelton


5/12

Gambar $. Graik perbandingan eisiensi turbin air

3. Komponen utama Turbin Pelton

ada Turbin elton& air mengalir dalam 2penstock4(pipa pesat)& sampai ujung ba!ah

masuk nosel (energy kinetic naik)& keluar mengenaik sudu;sudu ( yang terpasang pada

runner). engaturan jumlah air dapat dengan regulator / go$ernor (untuk instalasi yang besar)

atau denga tangan / manual (instalasi yang kecil).

. =ozel& energi tekanan dari air pada reser$oir se!aktu mele!ati penstock sebagian dirubah

menjadi energi kinetic dan energy kinetik ini makin lama meningkat oleh karena nozzle padatekana atmosfer pada casing. %etika air menabrak buckets maka dihasilkan energy mekanik .

untuk turbin degan kapasitas yang kecil menggunakan single jet. >an untuk turbin yang

memproduksi tenaga besar& jumlah jet harus lebih banyak.

6. 'uckets(sudu)& buckets dari pelton !heel mempunyai bentuk double hemispherical cup.

ancaran dari air yang datang mengenai buckets bagian tengah yang ada pemisahnya terbagi

menjadi dua bagian dan setelah hancur pada permukaan bagian dalam bucket berubah ,*

sampai 0* lalu meninggalkan bucket. 'ucket ini terbuat dari cast iron (head rendah)& cast

steel atau dari stainless steel (head tinggi). ermukaan bagian dalam dip les sedemikian rupa

untuk menghindari gesekan yang besar.

8. ?asing. 'erfungsi untuk menghindari deburan air& serta untuk mengarahkan air ke tail race

dan sebagai keamanan.

+. 5em hidrolik. @ntuk menghentikan putaran turbin& !alaupun pancaran air telah berhenti&

runner tetap akan berputar untuk !aktu yang lama. @ntuk menghentikannya diperlukan rem

nozle yang kecil& dimana arah air dari rem ini berla!anan arah dengan putaran runner.

'entuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk sedemikian

sehingga pancaran air akan mengenai tengah;tengah sudu dan pancaran air tersebut akanberbelok ke kedua arah sehinga bisa membalikkan pancaran air dengan baik dan


6/12

membebaskan sudu dari gaya;gaya samping. @ntuk turbin dengan daya yang besar& sistem

penyemprotan airnya dibagi le!at beberapa nozel. >engan demikian diameter pancaran air

bisa diperkecil dan mangkok sudu lebih kecil.

Turbin elton merupakan salah satu jenis turbin air yang prinsip kerjanya

memanfaatkan energi potensial air menjadi energi listrik tenaga air (hydropo!er). rinsipkerja turbin pelton adalah mengkon$ersi daya fluida dari air menjadi daya poros untuk

digunakan memutar generator listrik. Air yang berada pada bak penampung dihisap oleh

pompa dimana pompa berfungsi untuk menghisap dan memompa air untuk dialirkan ke sudu

turbin. =amun aliran air tidak langsung mengarah ke sudu turbin melainkan harus mele!ati

pipa;pipa saluran yang telah diberi katup buka tutup sehingga laju aliran air dapat diatur

sesuai dengan yang diinginkan. %emudian katup;katup tersebut terhubung dengan saluran

nozel dimana nozel berfungsi sebagai pemancar air yang dipancarkan langsung ke arah sudu

turbin sehingga sudu turbin berputar. ada sudu;sudu turbin& energi aliran air diubah menjadi

energi mekanik yaitu putaran roda turbin. Apabila roda turbin dihubungkan dengan poros

generator listik& maka energi mekanik putaran roda turbin diubah menjadi energi listrik pada

generator. %emudian air yang telah digunakan untuk memutar sudu turbin jatuh kedalam bakpenampung untuk kembali ke tahap a!al maka terjadilah sirkulasi.

Energi potensial air disemprotkan oleh nozel ke sudu untuk dirubah menjadi energi

mekanik yang digunakan untuk memutar poros generator. =ozel merupakan mekanisme

pancaran yang berbentuk melengkung yang mengarahkan air sesuai dengan arah aliran yang

direncanakan dan mengatur aliran air. 7ungsi utama nozel adalah untuk mengubah tekanan

air menjadi suatu kecepatan aliran yang digunakan untuk memutar runner. 'entuk nozel

sangat mempengaruhi performa turbin. erancangan sebuah nozelturbin pelton dimulai darimenentukan ukuran runner dan sudu dengan menggunakan data yang telah ada setelah itu

melakukan perhitungan diameter ujung nozel& kecepatan aliran air pada ujung nozel& panjang

ujung nozel. 'ahan yang digunakan untuk nozelturbin pelton ini adalah menggunakan paduan

Aluminium. >ari tahap;tahap yang telah direncanakan tersebut& maka didapatkan ukuran nozeluntuk turbin air pelton yang sesuai dengan yang diharapkan.

Gambar %. &o'el Turbin

@kuran nozel yang sesuai dapat memutar sudu lebih baik sehingga dapat

meningkatkan efesiensi turbin. >engan meningkatkan efesiensi turbin maka dapat

meningkatkan energi yang dihasilkan sehingga turbin air mampu menghasilkan kerja yang

optimal dengan menggunakan energi yang minimal.


7/12

Gambar (.RunnerTurbin Pelton

=ozel mempunyai beberapa fungsi yaitu mengarahkan pancaran air ke sudu turbin&

mengubah tekanan menjadi energi kinetik dan mengatur kapasitas air yang masuk turbin.

Sudu turbin merupakan sarana untuk merubah energi air menjadi energi mekanik berupa torsi

pada poros sudu dimana aliran air yang disemprotkan oleh nozel ke arah sudu mengakibatkan

daun;daun sudu terdorong dan berputar. Aliran air yang diarahkan langsung menuju sudu;

sudu melalui pengarah atau nozel ini juga menghasilkan daya pada sirip. Selama sudu

berputar& gaya bekerja melalui suatu jarak& sehingga menghasilkan kerja. >alam proses ini

energi ditransfer dari aliran air ke turbin.

Sudu dibentuk sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah;tengah sudu

dan pancaran air tersebut akan berbelok ke kedua arah sehinga bisa membalikkan pancaran

air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya;gaya samping. @ntuk turbin dengan daya

yang besar& sistem penyemprotan airnya dibagi le!at beberapa nozel. >engan demikian

diameter pancaran air bisa diperkecil dan mangkok sudu lebih kecil seperti pada gambar + di

atas. >esain ini dibuat untuk mempermudah dalam proses perakitan sehingga dapat diketahui

langkah;langkah yang harus dilakukan.

!. Teori

Ada beberapa faktor yang mempengaruhi aliran fluida& yaitu

a. )a*u Aliran +olume

"aju aliran $olume disebut juga debit aliran (Q) yaitu jumlah $olume aliran per satuan !aktu.

>ebit aliran dapat dituliskan pada persamaan sebagai berikut

B C A.3 ()

>imana

vC %ecepatan aliran (m/s)AC "uas penampang pipa (m)


8/12

QC >ebit aliran (m/s)

Selain persamaan di atas dapat juga menggunakan persamaaan sebagai berikut

B C 3/t(6)

>imana V C 3olume aliran (m8)

QC >ebit aliran (m/s)

tC !aktu aliran (s)

u C B/A (8)

>imana

C %ecepatan atau laju aliran (m/s)

QC >ebit aliran (m8/s)

AC "uas penampang ( m6)

b. ,ilangan -enolds

'ilangan 5eynolds didapat dengan menggunakan persamaan (+) dimana nilai dari

'ilangan 5eynolds (5e) dapat dihitung bila mempunyai nilai;nilai dari kecepatan aliran (v)&

massa jenis ()& diameter dalam pipa (d)& $iskositas dinamik () atau $iskositas kinematik

().

(+)

/. Daa

Tenaga yang didapat dari aliran air adalah&

C D g h i (F)

>imana

G C >aya (H/s or !atts)

G D C Efisiensi turbin

G C #assa jenis air (kg/m8)

G g C ercepatan gra$itasi (1. m/s6)

G h C 9ead (m).

@ntuk air tenang& ada perbedaan berat antara permukaan masuk dan keluar. erpindahan

air memerlukan komponen tambahan untuk ditambahkan untuk mendapatkan aliran energikinetik. Total head dikalikan tekanan head ditambah kecepatan head.


9/12

G i C Aliran rata;rata (m8/s)

d. Ke/epatan Spesiik

%ecepatan spesifik (ns)& menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak berhubungan

dengan ukurannya. 9al ini menyebabkan desain turbin baru yang diubah skalanya dari desainyang sudah ada dengan performa yang sudah diketahui. %ecepatan spesifik merupakan

kriteria utama yang menunjukkan pemilihan jenis turbin yang tepat berdasarkan karakteristik

sumber air. %ecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan sebagai kecepatan

ideal& persamaan geometris turbin& yang menghasilkan satu satuan daya tiap satu satuan head.

%ecepatan spesifik tubin diberikan oleh perusahaan (dengan penilaian yang lainnya) dan dan

selalu dapat diartikan sebagai titik efisiensi maksimum. erhitungan tepat ini menghasilkan

performa turbin dalam jangkauan head dan debit tertentu.

& n C rpm

&

C kecepatan sudut (radian/detik)


10/12

Gambar 0. Perbandingan Turbine Shape vs Spesific Speed

%ecepatan spesifik juga merupakan titik a!al dari analisis desain dari sebuah turbin baru.

Sekali kecepatan spesifik yang diinginkan diketahui& dimensi dasar dari bagian;bagian turbin

dapat dihitung dengan mudah. 9ukum Affinity mengijinkan keluaran turbin dapat

diperkirakan berdasarkan dari test permodelan. 9ukum Affinity didapatkan dari penurunan

yang membutuhkan persamaan antara test permodelan dan penggunaanya. >ebit yang

melalui turbin dikendalikan dengan katub yang besar atau pintu gerbang yang disusun diluar

sekeliling pengarah turbin. erubahan head dan debit dapat dilakukan dengan $ariasi bukaanpintu& akan menghasilkan diagram yang menunjukkan efisiensi turbin dengan kondisi yang

berubah;ubah.

". Analisa

'esarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya

head dan debit air. >alam hubungan dengan reser$oir air maka head adalah beda ketinggian

antara muka air pada reser$oir dengan muka air keluar dari kincir air/turbin air. "aju aliran

$olume disebut juga debit aliran (Q) yaitu jumlah $olume aliran per satuan !aktu. >ebit

aliran dapat dituliskan dari persamaan (6) dimana dapat didefinisikan besarnya $olume (V)

persatuan !aktu (t) sedangkan untuk kecepatan laju aliran dapat didefinisikan besarnya debit

(Q) aliran yang mengalir persatuan luas penampang (A) seperti pada persamaan (8).

>ebit aliran fluida didapatkan dari $olume fluida yang diambil selama !aktu tertentu.

aktu diukur dengan menggunakan stopwatchdalam satuan sekon (s) dan $olume didapat

menggunakan gelas ukur dari percobaan dalam satuan ml.

Semakin besar bukaan katup maka debit yang dihasilkan lebih besar& atau semakin

besar bukaan katup maka $olume fluida akan semakin tinggi per satuan !aktu. Sementara

untuk kecepatan aliran yang telah didapatkan dari pengolahan data dapat disimpulkan bah!a

semakin besar bukaan katup& maka kecepatan aliran fluida akan cenderung meningkat.

%ecepatan yang telah didapatkan akan mempengaruhi 'ilangan 5eynolds kerena kecepatan

aliran merupakan fungsi pembilang dalam 'ilangan 5eynolds& sehingga semakin cepat aliran


11/12

fluida yang mengalir di dalam pipa pengujian (pipa bulat) maka nilai bilangan 5eynolds akan

cenderung meningkat atau menunjukan kecenderungan turbulen.

Penghitungan ,ilangan -enolds

'ilangan 5eynolds (5e) dapat dihitung bila mempunyai nilai;nilai dari kecepatan

aliran (v)& massa jenis ()& diameter dalam pipa (d)& $iskositas dinamik () atau $iskositaskinematik ().

=ilai $iskositas kinematis () dan dinamis () untuk air murni didapat dari fungsi

temperatur fluida pada tabel sifat fisika air murni. >ari tabel 6 diatas untuk diameter pipa

yang sama dapat dilihat 'ilangan 5eynolds cenderung meningkat karena dipengaruhi

peningkatan kecepatan aliran fluida. 9al ini menunjukan semakin terjadi peningkatan

kecepatan aliran fluida& maka aliran dalam pipa akan cenderung turbulen. Sedangkan semakin

terjadi penurunan kecepatan aliran fluida& aliran tersebut akan cenderung laminer. >alam

pengujian ini kecepatan aliran (v) yang berfungsi sebagai pembilang di dalam 'ilanganReynoldssangat mempengaruhi karakteristik dari aliran fluida yang mengalir di dalam pipa

pengujian. Selain itu transisi dari aliran laminer ke aliran turbulen tentunya juga merupakanfungsi dari bilanganReynolds.

Harak tembak antara nozel terhadap daun sudu juga dapat mempengaruhi kecepatan

putar sudu turbin. enempatan titik jarak yang tepat antara nozel dengan daun sudu maka

dapat meningkatkan efisiensi turbin sehingga didapatkan putaran yang maksimal. >engan

mengetahui titik optimum dari jarak nozel terhadap daun sudu dapat meningkatkan putaran

runner menjadi lebih cepat karena titik jatuhnya pancaran nozel tepat mengenai daun sudu

dan tidak terpecah karena salah satu fungsi utama nozel adalah dapat mengarahkan pancaran

aliran air tepat mengenai daun sudu.

Pengaruh *arak no'el terhadap sudu turbin l

Gambar 1. Skema 4arak Antara &o'el TerhadapRunner

erbedaan jarak antara nozel dengan daun sudu dapat mempengaruhi kecepatan putar

sudu turbin. Harak antara runner dengan nozel yang terlalu dekat dapat memecah aliran

sehingga pancaran air tidak tepat atau tidak fokus. Selain itu jarak antara nozel terhadap

runnermenentukan titik jatuhnya aliran air& karena itu nozel harus memiliki jarak yang tepat

agar sudu turbin dapat menerima impuls dengan baik.


12/12

$. Kesimpulan

>ari hasil pengujian dan pengamatan yang telah dilakukan pada penelitian ini maka

dapat disimpulkan sebagai berikut

>iameter nozel yang lebih besar menghasilkan $olume air yang lebih banyak dibandingkannozel dengan diameter yang lebih kecil. Sehingga dapat disimpulkan nozel yang berdiameter

lebih besar dapat menghasilkan $olume air yang besar.

erbedaan putaran sudu dimana nozel yang memiliki diameter lebih besar dapat memutarkan

sudu lebih cepat dibandingkan dengan nozel yang memiliki ukuran diameter lebih kecil yang

dapat memutarkan sudu pada bukaan katup yang sama.

>ari data pengujian yang telah diolah untuk mencari debit aliran dan kecepatan aliran dapat

dilihat bah!a semakin besar bukaan katup maka debit yang dihasilkan lebih besar& atau

dengan kata lain semakin besar bukaan katup maka $olume fluida akan semakin tinggi per

satuan !aktu. >alam pengujian ini ada beberapa faktor yang mempengaruhi hasil

pengambilan data untuk menentukan debit aliran seperti& ketepatan pengambilan $olumedengan gelas ukur agar dalam proses penampungan tidak ada air yang tumpah dan ketepatan

pengambilan !aktu penampungan.

Sementara untuk kecepatan aliran yang telah didapatkan dari pengolahan data dapat

disimpulkan bah!a semakin besar bukaan katup& maka kecepatan aliran fluida akan

cenderung meningkat. %ecepatan yang telah didapatkan akan mempengaruhi 'ilangan

5eynolds kerena kecepatan aliran merupakan fungsi pembilang dalam 'ilangan 5eynolds&

sehingga semakin cepat aliran fluida yang mengalir di dalam pipa pengujian (pipa bulat)

maka nilai bilangan 5eynolds akan cenderung meningkat atau menunjukan kecenderungan

turbulen pada saat 'ilangan 5e mencapai +*** keatas.

'ilangan 5eynolds cenderung meningkat karena dipengaruhi peningkatan kecepatan aliran

fluida. 9al ini menunjukan semakin terjadi peningkatan kecepatan aliran fluida& maka alirandalam pipa akan cenderung turbulen. >alam pengujian ini kecepatan aliran (v) di dalam'ilangan 5eynolds sangat mempengaruhi karakteristik dari aliran fluida yang mengalir di

dalam pipa pengujian.

DA5TA- P6STAKA

JK. 5euben #. Llso& Ste$en j. raight.Essentials of Engineering Fluid Mechanics. 9arper M5o! ublisher & inc& 11*

J6K. 3ictorI& Streeter&Fluid Mechanics. #c-ra!;9ill& Inc. 1F.

J8K. 7ritz>ietzel& >akso Sriyono& Turbin ompa dan !ompresor& enerbit

Erlangga& Hakarta& 6**,

J+K E'A5A 9atakeyama #emorial 7und& Ebara ?orporation&Tokyo& Hapan

JFK >a$id -. @llman& The Mechanical design rocess& #c -ra! hill international Editions& 116

J,K 5obert >. 'le$ins&Applied Fluid "ynamics #andboo$& 1+
http://en.wikipedia.org/wiki/francis_turbinehttp://lingolex.com/bilc/engine.htmlhttp://lingolex.com/bilc/engine.htmlhttp://en.wikipedia.org/wiki/francis_turbine

Documents

Tugas Praktek Pelton