17

BAB III

DESAIN TURBIN

Salah satu jenis turbin impuls ini juga dikenal dengan nama Turbin Michell-

Banki yang merupakan penemunya. Selain itu juga disebut Turbin Osberger yang

merupakan perusahaan yang memproduksi turbin crossflow. Turbin crossflow

dapat dioperasikan pada debit 20 liter/sec hingga 10 m3/sec dan head antara 1 s/d

200 m.

Gambar 3.1. Instalasi Turbin Crossflow

Turbin crossflow menggunakan nozzle persegi panjang yang lebarnya

sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu

sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Air mengalir

keluar membentur sudu dan memberikan energinya (lebih rendah dibanding saat

masuk) kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu

yang dipasang pada sepasang piringan paralel.

Turbin crossflow baik sekali digunakan untuk pusat tenaga air yang kecil

dengan daya kurang dari 750 kW. Pembuatan dan pemasangan konstruksi sangat

sederhana, dan biaya pembuatan murah. (sumber:

hendri168.files.wordpress.com/2009/02/turbin-air-utk-website.doc)

Turbin Cross-Flow secara umum dapat dibagi dalam dua tipe ( Meier,

Ueli, 1981 ) yaitu :

1. Tipe T1, yaitu Turbin Cross-Flow kecepatan rendah .

2. Tipe T3, yaitu Turbin Cross-Flow kecepatan tinggi.

Kedua tipe turbin tersebut lebih dijelaskan oleh gambar 6.

18

Gambar 3.2. Dua Tipe Turbin Cross-Flow (Sumber : Haimerl, L.A., 1960)

1.Elbow 2. Poros katup 3. Katup 4. Nozel 5. Runner 6.Rangka pondasi7.Rumahturbin 8. Tuup turbin9. Poros runner

Gambar 3.3. Model Rakitan Turbin Cross-Flow (Sumber : Haimerl, L.A., 1960)

3.1. Desain Runner dan Poros Utama (Hub, Shaft, Vane Geometry Etc)

Q (debit) yang digunakan 2,8 m3/s

Head (ketinggian) efektif yang direncanakan 16,32 m

Pt =ρ.g.h.ηt

Pt =1000 x 9,81 x 2,8 x 16,32 x 0,6

Pt = 268.966,66 W = 268,97 kW

3.1.1. Runner

Gambar 3.4. Runner Turbin

Crossflow (Sumber : Bachtiar, Asep Neris.

1988)

19

menggunakan persamaan-persamaan yang digunakan Mockmore (1949) dan

Barglazan (2005) sehingga didapatkan hasil-hasil sebagai berikut:

a. Kecepatan aliran masuk V1

V1 = 17,54 m/sb. Kecepatan keliling aliran (U1)

U1 = 8,43 m/s

c. Putaran turbin

Crossflow (Kpordze and Warnick, 1983)

Ketinggian yang digunakan adalah 16,32 meter

Sehingga

= 125,3

n = 250 rpm

d. Diameter turbin luar (D1)

20

D1 = 0,66 m = 66 cm

e. Diameter turbin dalam (D2)

D2 = 0,44 m = 44 cm

f. Lebar sudu turbin

= 0,54 m = 54 cm

g. Perhitungan aliran air yang masuk kedalam runner

Luas Penstock (jet) (Mockmore .C.A : 17)

= 0,16 m2 =16 cm2

Ketebalan semburan air (So)

= 0,30 m = 30 cm

h. Jari-jari Kelengkungan sudu ( )/jari-jari suduρ

= 0,12 m = 12 cm

21

i. Jarak antara sudu turbin

Ketebalan sudu (S1)

=0,057 m = 5,7 cm

Jarak antara sudu (t)

= 0,12 m = 12 cm

j. Jumlah Sudu Turbin

=16

k. Jarak diameter luar dan diameter dalam pada runner

A= 0,17*D1 (Mockmore .C.A: 18)

= 0,17*66 = 11,2 cm

l. Perhitungan berat runner

Sebagai dasar pertimbangan bahan sudu harus memenuhi ketentuan

seperti, tahan korosi, mudah di las dan mudah didapat dipasaran bebas,

bahan sudu dipilih plat baja SUS 305 (JIS G 4303) yang mempunyai

kekuatan tarik (σb) 85 kg/mm2

Tebal Runner Blade (Sz)

22

= 3,34 mm

Panjang busur

θ=68o

-jari sudu

=14,23 cm

Volume tiap sudu

Vst = t . B . L (Moh. Taib Sutan Sa’ti : 368)

Dimana:Vst = volume tiap sudu (cm3)

t = tebal plat sudu = 0,6

B= panjang sudu/r1

L= panjang busur

Vst = 0,6*33*14,23 =281,75cm3 =0,282 dm3

Berat Sudu Total

Gst = Vst . γ . Z (Moh. Taib Sutan Sa’ti : 368)

γ = berat jenis plat baja = 7,85 kg/dm3

Z = jumlah sudu = 16 buah

Gst = 0,282*7,85*16 =35,4 kg

m.Berat Disc

Volume disc

Vd = ¼ . D12 . t

Dimana: D1 = Diameter luar runner = 660 mm

t = tebal disc = 1,5 mm

Vd = ¼*6602*1,5 = 163350 mm3 =0,163 dm3

Berat disc

Gdt = Vd . γ . X

23

Dimana: γ = Berat jenis baja 7,85 kg/dm3

X = Jumlah disk 2

Gdt = 0,163*7,85*2 =2,5 kg

3.1.2. Poros

Bahan poros dipilih Baja Krom Nikel (JIS G 4120) SNC 22 dengan

kekuatan tarik (σb) = 100 (Kg/mm2)

Momen Puntir

Pmax=268,97 kW dan n =250 rpm

=77054,53 kg mm

Momen Torsi

=1.118.035,12 kg/mm

Tegangan yang diizinkan

Ta = tegangan geser yang diijinkan

Tb = kekuatan tarik yang diijinkan = 100 kg/mm2

Sf1 = factor keamanan terh adap kelelahan puntir bahan baja ST – 42

diambil 3

Sf2 = factor keamanan kekasaran permukaan dankonsentrasi tegangan di

ambil 2

=16,7 kg/mm2

Dan diameter poros dapat dinyatakan dengan persamaan

24

dimana :

KT = factor korel asi dari beban tumbukan 1,5 – 3 diambil 1,5

Cb = fact or beban lenturan 1,2 – 2,3 diambil 1,2

T = momen punter

= 85,02 mm

Maka diameter poros yang direncanakan adalah = 85 mm

Tegangan yang terjadi pada poros

Tegangan puntir yang terjadi sebesar :

dimana mt = momen puntir = 77.054,53 kgmm

= 120.522,03 mm

= 0,64 kg/mm2

Perhitungan Kecepatan Liar Dan Putaran Kritis

Putaran kritis adalah putaran pada harga tertentu akan terjadi

getaran pada poros dan bagian lainya. Untuk itu poros direncanakan

sedemikian rupa hingga putaran kritis terendah untuk jarak bantalan tidak

boleh lebih dari 2 kali kecepatan liar nya. Kecepatan liar dari turbin

adalah kecepatan putar maksimum dari runner bawah 1 head dan tenaga

air yang disalurkan ke turbin seluruhnya di rubah menjadi energi kenetik.

Kecepatan Liar

25

dimana : nr = run away speed

n = putaran normal turbin = 100 rpn

kn= (0,147 * nq + 145)%

nq = putaran spesifik turbin = 125 rpm

kn= (0,147 * 125 + 145)% = 1,63

Hmax = Head air pada perencanaan 16,32 meter

Hnormal = Head air pada head normal 16,32 meter

= 407,5 rpm

Putaran Kritis

Putaran kritis dapat dinyatakan dengan persamaan :

Dimana Ncr = putaran kritis

= 2 x nr = 2 x 407,5 = 815

ds = diameter poros = 85 mm= 0,28 feet

= 3,25 feet = 990,6 mm

Pasak

Bahan Pasak dipilih Baja jenis SNC 2 yang memiliki kekuatan

tarik 85 Kg/mm2, dan faktor keamanan sf1 = 6 dan sf2 = 2

Tegangan yang diizinkan

(Sularso.1991:8)

26

= 7,08

Gaya yang bekerja pada pasak

(Sularso.1991:25)

= 26.306,71 N

Tegangan geser yang timbul

- tinggi pasak = ds/5 = 85/5 = 17 mm

- kedalaman lubang pasak = ds/8 = 85/8 = 10,6 mm ≈ 11 mm

Dimana: F = Gaya yang bekerja pada pasak

b = lebar pasak = ds/4 = 85/4 21.25 ≈ 22 mm

l = Panjang pasak = ds . 0,75= 85*0,75 = 63,75 ≈ 64 mm

= 18,68 kg/mm2

3.2. Desain Guide Vane

Fungsi guide vane (sudu anta r) adalah untuk mengatur kapasitas air munuju

runner turb in dengan arah dan kecepatan tertentu. Untuk arah kecepatan da n

kapasitas air yang munuju runnersepangjang busur jatuhnya tegak lurus.

Perencanaan ini pada dasarnya untuk menentukan sudu antar.

Radius sumbu sudu antar

dimana : k0

ko = konstanta, direncanakan 0,5

27

D = diameter sisi keluar runner (mm) = 660 mm

= 330

Sudut Profil Sudu Antar (α max )

dimana : α = sudut antara sudu = 230

= 280

Diameter Lingkaran Pusat Perputaran (Dz)

Dimana :

Sedangkan untuk :

= 0.057

Z1= Jumlah sudu

28

Panjang Sudu Antar/guide vane (L)

Panjang sudu antar ditentukan atau sesuai dengan lebar roda jalan (runner):

Lebar runner (b1) = 0,54 m = 540 mm

Tebal Sudu Antar (e)

Tebal sudu antar ditentukan dengan persamaan :

e = (0,04 - 0,06). L

dimana : L = panjang sudu antar

Maka:

e = 0,04. 540 =21.6 mm

3.3. Disain Rumah Turbin dan Bantalan

3.3.1 disain rumah turbin

Persamaan konstanta

K = R * Cu

Dimana :

K = konstanta

R = jari – jari sudu sisi keluar

Jadi R =

Cu = kecepatan aliran pada sisi masuk

29

= C max x cos a max

Dimana Cmax = kecepatan aliran mutlak

Dimana = factor penyempitan = 0.9

D1=diameter luar runner = 0.66 m

Q = kapasitas air = 2,8 m3/s

b = jarak anar sudu = 0,57 m

sedangkan cos max = 45 ( sisi masuk )

= 2,59 m/s

Cu = Cmax * cos max

= 2,59 m/s * cos 45 = 1,84 m/s

Perhitungan Draft Tube

Pipa hisap (draft tube) adalah suatu tabung atau pipa yang menghubungkan

turbin outlet dari jenis turbin reaksi dengan saluran bawah (tail race). Fungsi dari

pipa hisap secara umum adalah untuk menyalurkan air yang keluar dari runner

turbin ke tail race dengan kehilangan energi sekecil mungkin.

Diameter draft tube (Ds)

Cs = kecepatan aliran dalam dr aft tube, dapat dicari dengan persamaan :

30

=1,07 m/det

= 1,9536 m = 1954 mm

Panjang Draft Tube (L)

Panjang draft tube ini dapat dinyatakan dengan persamaan :

L = [2,5 – 0,3] *DS

L = [2,5 ] *1964 = 4910 mm

Diameter sisi keluar Draft tube

Diameter draft tube pada sisi luar dapat dinyatakan dengan persamaan :

Ds out = 1.2 * Ds

Ds out = 1.2 * 1954 = 2356,8 mm

3.4. Sistem Pengaturan

3.5. Pemilihan Generator

3.6. Transmisi Mekanikal