bab i turbin francis

LAPORAN PRAKTIKUM PRESTASI MESIN KELOMPOK 7 (TUJUH) TAHUN 2010

BAB I PENGUJIAN TURBIN FRANCIS

1.1

Pendahuluan Turbin air francis adalah turbin dengan air sebagai fluida kerja. Air mengalir dari

tempat yang lebih tinggi menuju tempat yang lebih rendah. Dalam hal tersebut air memiliki energi potensial. Dalam proses aliran di dalam pipa, energi potensial berangsur-angsur berubah menjadi energi mekanis, dimana air memutar sudu turbin. Di dalam turbin, fluida kerja mengalami proses ekspansi, yaitu proses penurunan tekanan dan akan mengalir secara kontinyu. Turbin francis pertama kali dikembangkan oleh James B. Francis pada tahun 1848 yang mampu menghasilkan efisiensi sampai dengan 90%.. Sekarang turbin francis adalah jenis turbin yang paling banyak dipakai, karena tinggi jatuh air dan kapasitasnya yang paling tersedia sesuai dengan kebutuhan dari turbin tersebut. Turbin francis biasa diletakkan di dalam bangunan bagian bawah karena turbin ini menggunakan energi potensial sehingga tinggi permukaan air bawah yang berubah ubah sangat menguntungkan. Satu masalah bisa timbul mengganggu kinerja turbin ini jika air mengandung pasir ataupun pecahan gletser karena akan mengauskan roda jalan dan packingnya. (Referensi : http://en.wikipedia.org/wiki/Francis_turbine) 1.2 Tujuan Praktikum Tujuan dari praktikum ini adalah : a. Untuk mengetahui besarnya efisiensi tertinggi turbin francis, b. Untuk mengetahui daya efektif maksimum dari turbin francis, dan c. Agar praktikan mengetahui cara kerja turbin francis. (Referensi: Jobsheet Praktikum Prestasi Mesin.Teknik Mesin UNDIP)

JURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS DIPONEGORO

1


1.3 1.3.1

Dasar Teori Pengetahuan Umum tentang Turbin Turbin adalah sebuah mesin berputar yang mengambil energi dari aliran fluida.

Turbin sederhana memiliki satu bagian yang bergerak yaitu poros yang menggerakkan turbin. Fluida yang bergerak menjadikan baling-baling berputar dan menghasilkan energi untuk menggerakkan rotor. Contoh turbin awal adalah kincir angin dan roda air. Sebuah turbin yang bekerja terbalik disebut kompresor atau pompa turbo. Turbin francis pertama kali dikembangkan oleh James B. Francis pada tahun 1848 yang mampu menghasilkan efisiensi sampai dengan 90%. Turbin francis merupakan salah satu turbin air (hidrolik) yang paling sering digunakan sampai sekarang. Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian keluar. Turbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air masuk secara tangensial. Sudu pengarah pada turbin Francis dapat merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang tepat. (Referensi : http://en.wikipedia.org/wiki/Francis_turbine)

1.3.2

Klasifikasi Turbin Dengan kemajuan ilmu Mekanika fluida dan Hidrolika serta memperhatikan sumber

energi air yang cukup banyak tersedia di pedesaan akhirnya timbullah perencanaanperencanaan turbin yang divariasikan terhadap tinggi jatuh ( head ) dan debit air yang tersedia. Dari itu maka masalah turbin air menjadi masalah yang menarik dan menjadi objek penelitian untuk mencari sistim, bentuk dan ukuran yang tepat dalam usaha mendapatkan effisiensi turbin yang maksimum.


2


Pada uraian berikut akan dijelaskan pengklasifikasian turbin air berdasarkan beberapa kriteria. 1.3.2.1 Berdasarkan Model Aliran Air Masuk Runner Berdasaran model aliran air masuk runner, maka turbin air dapat dibagi menjadi tiga tipe yaitu a. Turbin Aliran Tangensial Pada kelompok turbin ini posisi air masuk runner dengan arah tangensial atau tegak lurus dengan poros runner mengakibatkan runner berputar, contohnya Turbin Pelton dan Turbin Cross-Flow.

Gambar 1.1 Turbin Angin Tangensial (Sumber: http://www.agussuwasono.com/artikel/mechanical/300-karakteristik-turbincross-flow.html) b. Turbin Aliran Aksial Pada turbin ini air masuk runner dan keluar runner sejajar dengan poros runner, Turbin Kaplan atau Propeller adalah salah satu contoh dari tipe turbin ini.


3


Gambar 1.2 Model Turbin Aliran Aksial (Sumber: http://www.agussuwasono.com/artikel/mechanical/300-karakteristik-turbincross-flow.html) c. Turbin Aliran Aksial Radial Pada turbin ini air masuk ke dalam runner secara radial dan keluar runner secara aksial sejajar dengan poros. Turbin Francis adalah termasuk dari jenis turbin ini.

Gambar 1.3 Model Turbin Aliran Aksial-radial (Sumber: http://www.agussuwasono.com/artikel/mechanical/300-karakteristik-turbincross-flow.html)


4


1.3.2.2 Berdasarkan Perubahan Momentum Fluida Kerjanya Dalam hal ini turbin air dapat dibagi atas dua tipe yaitu : a. Turbin Impuls Semua energi potensial air pada turbin ini dirubah menjadi menjadi energi kinetis sebelum air masuk/ menyentuh sudu-sudu runner oleh alat pengubah yang disebut nozel. Adapun jenis jenis turbin impuls adalah Turbin Pelton, Turbin Turgo dan Turbin Ossberger.

Gambar 1.4 Turbin Impuls dan proses Penyemprotan (Sumber: http://crayonpedia.org/wiki/images/a/a2/Gun304.jpg) b. Turbin Reaksi Pada turbin reaksi, seluruh energi potensial dari air dirubah menjadi energi kinetis pada saat air melewati lengkungan sudu-sudu pengarah, dengan demikian putaran runner disebabkan oleh perubahan momentum oleh air. Yang termasuk jenis turbin reaksi diantaranya : Turbin Francis, Turbin Kaplan dan Turbin Propeller. Dilihat dari konstruksinya, turbin reaksi ada dua jenis yaitu Turbin Francis dan Turbin Kaplan.


5


Gambar 1.5 Aliran air masuk turbin Francis

Gambar 1.6 Instalasi Turbin Francis (Sumber: http://crayonpedia.org/wiki/images/0/05/Gun310.jpg)

1.3.3

Prinsip Kerja Turbin Francis Turbin francis termasuk salah satu turbin reaksi, artinya fluida yang bekerja

mengubah tekanan bersamaan dengan gerak dari turbin tersebut, yang menghasilkan energi. Inletnya berbentuk spiral. Guide Vane membawa air secara tangensia menuju runner. Aliran radial ini bekerja pada runner vanes, menyebabkan runner berputar. Guide vane (atau wicket gate) dapat disesuaikan untuk memberikan operasi turbin yang efisien untuk berbagai kondisi aliran air.


6


Turbin Francis bekerja dengan memakai proses tekanan lebih. Pada waktu air masuk ke roda jalan, sebagian energi tinggi jatuh telah bekerja di dalam sudu pengarah diubah sebagai kecepatan arus masuk. Sisa energi tinggi jatuh dimanfaatkan atau bekerja di dalam sudu jalan, dengan adanya pipa isap memungkinkan energi tinggi jatuh bekerja di sudu jalan semaksimum mungkin.

Gambar 1.7 Instalasi Turbin Francis

Gambar 1.8 Turbin Francis

(Sumber : www.wikipedia.com) Turbin Francis masih di bagi menjadi 2 yaitu : a. Turbin Francis dengan daya yang kecil Cara kerja dari turbin yaitu air dimasukkan ke turbin dengan melewati rumah keong yang telah diperkuat dengan sudu-sudu penyangga. Di sebelah kanan adalah daun sudu pengarah atau yang biasanya disebut sebagai sudu pengarah saja. Posisi membuka atau menutupnya sudu tersebut digerakkan melalui batang penggerak, tuas, dan cincin pengatur dengan sedikit atau banyaknya air yang akan masuk ke turbin. Untuk penutupan aliran air yang masuk ke turbin secara tiba-tiba, misalnya pada saat pengurangan beban generator, supaya tekanan di dalam rumah keong dan di dalam pipa saluran tidak naik, maka untuk menghindarinya kompensator saluran air dapat terbuka dalam waktu yang singkat. b. Turbin Francis dengan daya yang besar Pada umumnya poros turbin dan generator terdiri dari 2 bagian. Bantalan tekannya ditumpu oleh suatu konstruksi pendukung tersendiri. Yang terdiri dariJURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS DIPONEGORO

7


beberapa tembereng yang bisa diatur dan menerima beban yang berputar dari roda jalan, poros, dan rotor generator dan juga menerima beban aksial dari tekanan lebih yang terdapat pada turbin. Turbin dan generator masing-masing mempunyai bantalan penghantar.

Gambar 1.9 Turbin Francis dengan Daya yang Besar (Sumber : www.wikipedia.com) Sudu pengarah digerakkan dengan memakai oli yang bertekanan yang diatur dari servomotor yang diatur tersendiri. Untuk diketahui bahwa saluran oli yang bertekanan di dalam gambar tersebut terletak di tengah sebelah kiri. ( Referensi : Turbin Pompa dan Kompresor Fritz Dietzel) 1.3.4 Bagian Turbin Francis

Gambar 1.10 Bagian-bagian turbin francis


8


Bagian-bagian dari Turbin Francis adalah sebagai berikut: a. Fluid Inlet Fluid inlet adalah bagian dimana fluida berupa air masuk menuju turbin b. Runner Blades Runner blade adalah bagian yang berbentuk baling-baling atau sudu yang dapat bergerak akibat adanya tumbukan air pada dinding sudu. Bagian ini terhubung dengan poros yang kemudian akan menghasilkan energi mekanik. c. Guide vanes Guide vanes atau biasanya disebut sudu pengarah adalah bagian yang berfungsi mengarahkan atau membawa air secara tangensia menuju runner. Guide vanes dapat diatur menggunakan tuas pengontrol sehingga didapat operasi turbin yang efisien. d. Volute Volute adalah dinding penutup sekitar baling-baling yang berfungsi untuk memfokuskan dan mengontrol fluida kerja. Penutup mungkin memiliki geometri variabel yang dapat membuat operasi efisien untuk beberapa kondisi aliran fluida. e. Fluid outlet Fluid outlet adalah bagian dimana fluida yang telah melalui sudu gerak dan mengalami penurunan tekanan dikeluarkan dari turbin menuju lingkungan. (Referensi : http://en.wikipedia.org/wiki/Francis_turbine) 1.3.5 Aplikasi Turbin Francis Kebanyakan turbin francis didesain untuk tiap bagian untuk beroperasi pada efisiensi tertinggi yang dapat dicapat, biasanya mencapai lebih dari 90%. Kekurangan dari Turbin francis ini adalah biaya yang dibutuhkan sangat mahal khususnya dalam proses desain, manufaktur dan pemasangan, tetapi kelebihannya adalah turbin francis tersebut dapat beroperasi untuk beberapa decade. Turbin air memiliki dampak positif dan negatif terhadap lingkungan.Turbin adalah salah satu penghasil energi terbersih, menggantikan bahan bakar fosil dan mengurangi


9


limbah nuklir. Turbin menggunakan sumber energi yang dapat diperbaharui dan di desain untuk beroperasi lebih dari 10 tahun. Contoh pemakaian francis turbin dalam kehidupan sehari-hari adalah: a. Penggunaan Turbin francis di Air terjun Niagara

Gambar 1.11 Turbin francis di Air terjun Niagara Merupakan Double spiral turbine yang mamapu menghasilkan daya sebesar 12 MW and memiliki ketinggian head 54.9 m. b. Itaipu, Brazil/Paraguay

Gambar 1.12 Turbin francis di Itaipu Mampu menghasilkan daya sebesar 800 MW dan memiliki ketinggian head 118.4 m. c. Norris Dam, USA: Merupakan turbin francis pertama yang digunakan dalam industri, dimana dapat meningkatkan dissolved oxygen untuk kelangsungan hidup akuatik.


10


d. Three Gorges, China: Merupakan turbin penghasil daya terbesar didunia, dimana daya yang dihasilkan mampu mencapai lebih dari 18,000 MW. (Referensi : http://en.wikipedia.org/wiki/Francis_turbine_aplication) 1.3.6 Karakteristik dan Peforma Karakteristik turbin francis meliputi : 1.3.6.1 Daya Air Daya yang masuk ke dalam turbin francis adalah daya potensial air WHP = .g.Q.H dimana : WHP : daya hidrolis air (watt) g Q H : massa jenis air (kg/m3) : percepatan gravitasi (m/dt2) : laju aliran masa (m3/dt) : head dari tinggi jatuh air (m.H2O)

1.3.6.2 Daya Keluar Turbin Daya yang dikeluarkan oleh turbin adalah daya poros karena tujuan turbin adalah mengubah energi hidrolis menjadi energi mekanis. BHP = dimana : BHP n T : daya mekanis (watt) : kecepatan putar (rpm) : Torsi (Nm) = F.s2. n.T . 6 0


11


1.3.6.3 Daya Listrik Daya poros yang dihasilkan turbin diubah oleh generator DC menjadi daya listrik Pel = Vj.Ij dimana: Pel Vj Ij : daya listrik efektif : tegangan jangkar (Volt) : Arus Jangkar (Ampere)

1.3.6.4 Efisiensi Turbin T = daya mekanik / daya air .100% =BHP W HP

x 100 %

1.3.6.5 Efisiensi total/ sistem efektif e =Pel x 100 % W HP

1.3.6.6 Efisiensi Generator G =Pel X 100 % BHP

(Referensi : Jobsheet Praktikum Prestasi Mesin 2010)


12


1.3.7

Segitiga Kecepatan

Gambar 1.13 Arah vektor kecepatan pada sudu turbin francis (Sumber : www.wikipedia.com) Tabel 1.1 Keterangan gambar Segitiga Kecepatan Turbin Francis 1 st Quad Absolute Velocity Relative Velocity Blade Angle Attack Angle Runner Velocity V1 v1 1 1 1 2nd Quad V21 v21 21 21 21 3ed Quad V11 v11 11 11 11 4th Quad V1 v1 1 1 1

Kecepatan air pada waktu memasuki daun baling-baling merupakan tangent yang cukup besar terhadap ujung luar sudu pengatur. Kecepatan di ujung pemasukan daun


13


baling-baling runner adalah u = .r1 dimana adalah kecepatan sudut putaran runner dalam radian per detik. Kecepatan air relatif terhadap daun baling-baling, vt bersifat tangensial terhadap daun baling-baling itu dan diagram vector, komponen V, yang tangensial terhadap runner di sisi masuk adalah Vr l = r 1 + Vr1 cot 1 ................................................(2.1) Dimana Vrl adalah komponen radial dari V pada sisi luar berlaku, Vr2 = r 2 + Vr2 cot 2 ............................................... ( 2 . 2 ) Dengan anggapan bahwa gaya yang bekerja pada semua daun baling-baling adalah besar, maka torsi T yang bekerja pada runner akibat aliran air adalahT = pQ (Vt1 r1 Vt 2 r2 ) ................................................. (2.3)

Dimana Q adalah debit keseluruhan yang melalui turbin. Oleh karenanya, daya N yang disalurkan oleh air ke turbin adalahN = T = Q(Vt1r1 Vt 2 r2 ) ..................................

(2.4)

Komponen-komponen radial dan yang diperlukan untuk menyelesaikan persamaan (2.1) dan (2.2) dapat diperoleh dari persamaanQ = 2rZV r1 = 2rr 2 ZV r1 ..................................................... (2.5)

Dimana Z adalah tebal roda turbin. (Referensi : Jobsheet Praktikum Prestasi Mesin 2010)

1.4

Peralatan dan Bahan Adapun peralatan yang digunakan antara lain tertera pada gambar di bawah ini:

5JURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS DIPONEGORO

14


6

14

10 9

7

8Gambar 1.14 Mesin Uji Turbin Francis secara Keseluruhan

1

2

4

3


15


13

11 12

Gambar 1.15 Bagian Bagian Alat Uji Turbin Francis

15 15 Gambar 1.16 Pulse meter

16 Gambar 1.17 V-Notch Nama bagian-bagian mesin percobaan : 1.Turbin Berfungsi untuk mengubah energi potensial menjadi energi mekanis 2.Generator Berfungsi untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik 3.Pengatur bukaan Berfungsi untuk mengatur besar sudut bukaan pada sudu pengarah . 4.Electronic charging scale Berfungsi untuk mengukur gaya yang diakibatkan oleh pembebanan pada Turbin. 5.lampu / beban Berfungsi sebagai hambatan listrik.


16


6.Ampermeter Berfungsi untuk mengukur besarnya arus yang dihasilkan oleh generator dengan adanya variasi hambatan berupa lampu listrik. 7.Voltmeter Berfungsi untuk mengukur besarnya tegangan yang dihasilkan oleh generator dengan adanya variasi hambatan berupa lampu listrik. 8.Katub Discharge Berfungsi untuk mengatur laju aliran yang akan masuk keturbin. 9.Pompa Berfungsi untuk merubah tekanan pada air menjadi kecepatan sehingga menghasilkan aliran air untuk dipindahkan ke atas sehingga menimbulkan energy potensial sebagai pengganti air terjun pada PLTA. 10. 11. 12. 13. 14. Sigh Glass Berfungsi untuk mengukur ketinggian air terhadap weir. Pengatur Kecepatan Motor (dalam %) Berfungsi untuk mengatur Head masukan turbin. Turbin Inlet Berfungsi untuk menunjukkan besarnya Head masukan turbin. Saklar Motor Berfungsi untuk menghidupkan atau mematikan arus dan tegangan. Saklar Lampu Beban Berfungsi untuk menghidupkan dan mematikan lampu pembebanan untuk mengatur besarnya pembebanan yang diberikan 15. 16. Pulsemeter dan sensor Berfungsi untuk mengukur putaran poros menggunakan sensor. V-notch V-notch/ Weir digunakan untuk mengontrol laju aliran air, sehingga debit air yang melaluinya dapat diatur


17


1.5 1.5.1

Prosedur Pengujian Pengukuran Torsi Untuk memberi beban sekaligus mengukur besarnya beban tersebut pada poros

turbin digunakan electronic charging scale.Rangkaian Jangkar Rangkaian Beban

V m indeks massa A rotor

L

electronic charging scale

Gambar 1.18 Instalasi electronic charging scale a. Menghidupkan electronic charging scale, b. Mengkondisikan penetrator pada indeks massa agar dalam posisi stabil, c. Melakukan setting nol pada electronic charging scale dengan menekan tombol zero, d. Menghidupkan saklar beban lampu kemudian mencatat besarnya gaya (kg.F) yang tertera pada electronic charging scale, e. Dengan mengalikan gaya yang terbaca dengan konstanta grafitasi dan kemudian dikalikan lagi dengan jarak L maka akan didapatkan torsi. 1.5.2 Pengukuran Tinggi Tekan Pengukuran tinggi tekan untuk peralatan ini terdapat tiga manometer, yaitu untuk mengukur suction head pompa, discharge head pompa dan turbin inlet head. Manometer ini menggunakan tabung bourdon sebagai peralatan utama. Untuk penelitian kali ini hanya pengukuran head Turbin Inlet yang digunakan.


18


1.5.3

Pengukuran Debit Pembacaan untuk mengukur besarnya debit yang mengalir pada Sistem ini

menggunakan "V" notch/ gerbang ''V". Dengan membaca ketinggian air yang mengalir melalui gerbang dapat dibaca melalui sight gelas. Kemudian dengan menggunakan gambar lampiran dapat kita ketahui besarnya debit dalam m3/menit. 1.5.4 Pengukuran Kecepatan Untuk mengukur besarnya kecepatan tinggal menghubungkan pulsemeter, dengan memasang sensor pulsemeter dikabel keluaran. 1.6 Prosedur pengujian Prosedur pengujian dalam praktikum Turbin Francis adalah sebagai berikut : 1. Menghidupkan saklar utama 2. Menghidupkan saklar motor 3. Mengatur bukaan sudu pengarah 4. Mengatur head masukan turbin 5. Menyalakan saklar pembebanan untuk masing-masing variasi jumlah lampu. 6. menstabilkan head masukan turbin 7. Mencatat besarnya tegangan listrik, gaya/pembebanan, tinggi air reservoir, kuat arus, putaran mesin. 8. Melakukan pencatatan untuk variasi head masukan turbin (3, 4 dan 5) dan variasi banyaknya lampu yang dinyalakan (5, 4, 3, 2, 1 dan 0) 9. Mematikan saklar pembebanan dan kurangi kecepatan putaran pompa kemudian atur bukaan sudu pengarah. Ulangi prosedur 1 s.d. 8 di atas untuk variasi bukaan sudu pengarah 100%, 75%, dan 50%. 10. Mematikan peralatan. 11. Menulis laporan sementara.


19


1.7

Contoh Soal dan Penyelesaian Sebuah proyek tenaga air yang besar di India menggunakan turbin francis adalah

untuk beroperasi di bawah suatu jaringan tinggi tekan dari 150 m. Keluaran yang diharapkan tiap turbin adalah 175 MW dan kecepatan serasi dari generator adalah 136,4 rpm. Model-model studi menyatakan efisiensi keseluruhan 91,5% dan efisiensi bentuk yang asli adalah 0,5% lebih tinggi. Efisiensi hidrolik diperkirakan sebesar 96%. Hitung kecepatan spesifik dan debit pada mesin. Juga tentukan nilai-nilai yang cocok adi sudut keluaran dari baling-baling pengarah, sudut baling-baling, garis tengah masukan dari keluaran dari roda dan dari roda pada pintu pemasukan. Buatlah asumsi yang sesuai. Penyelesaian

Kecepatan spesifik Ns =

N P h5 4

P =

175 10 6 = 23 ,8 10 4 tk 735 ,5

Jadi Ns =

136 ,4 23,8 10 4

(150 ) 4

5

Ns = 127 Ini adalah suatu turbin gerak lambatP

Sekarang :

o =

wQh 751 w h75 23 ,8 10 4 0,92 =

75 P

Q = o

(

)= 129 m3/d

sekarang untuk sebuah penggerak lambat


20


Misalnya perbandingan kecepatan : =

u1 2 gh

menjadi 0,65

Jadi u1

= 0,65

2g h

= 0,65

(19 ,8)(150 )

= 35,3 m/d

D1 Nlagi u1 =60

60 ( 35 ,3) atau D1 = (136 ,4 ) = 4,95 m

biarkan diameter penggerak menjadi 4,95 mb1 Rasio D1 untuk penggerak lambat sekitar

1

5

Perkiraan : Sekarang,

b1 = 0,2 D1 = 0,2 (4,95) = 0,99 m Q = k D1 b1 Vm1

Dimana k adalah faktor penghitung mengenai ketebalan bilah. Untuk penggerak berukuran lebar, k adalah antara 95 dan 97%. Perkiraan katupnya 0,97 Maka Q = 0,97 (0,2) D12 Vm1 129 = 0,97 (0,2) 4,952 V1 Penyelesaiannya, kecepatan aliran Vm1 = 8,62 m/d Sekarang h efisiensi hidrolik diberikan :Vu 1u1 Vu 2 u 2 gh =

Vu2 = 0


21


Vu 1 ( 35 ,3) h = 9,8(150 )

Kecepatan pusaran

Vu1

= 40 m/d

Segitiga kecepatan masuk. Karena Vu1, u1 , dan Vm1, sudah diketahui, kecepatan masuk dapat ditarik dan sudut-sudutnya bisa diukur,Vm 1 8,62 Vu 1 = 42 = 12o9 Juga tan 1 = Vm 1 8,6 2 Vu 1 u1 = 4,7 =

Dan tan 1

1

= 61o24

Sudut keceptan keluar. Karena Vu2 =0, itulah segitiga siku-siku yang benar.u2 u1

Perkiraan:

= 0,5

u2 = 17,65 m/d8,6 2 7 5 = 1 ,6 = 0,487

tan 2

= 26o

(Referensi : http://wawan.co.cc/umum.turbine-solution)

1.8 1.8.1

Perhitungan dan Analisa Data Praktikum


22


a. Data bukaan 100% pada head 3, 4 dan 5 Tabel 1.2 Data hasil praktikum bukaan 100% dengan variasi head 3, 4, dan 5No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 H m.H2O Jumlah Lampu 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 h mm 58 60 60 60 60 60 58 61 62 62 62 63 59 60 63 64 64 64 n rpm 1340 1115 1010 900 860 800 1650 1550 1490 1480 1460 1400 1880 1820 1760 1730 1720 1700 F N 0.18 0.39 0.59 0.63 0.61 0.61 0.10 0.39 0.53 0.57 0.63 0.78 0.15 0.47 0.59 0.71 0.74 0.77 V volt 7.80 3.80 2.60 1.45 0.80 0.55 9.10 5.50 3.85 2.40 1.86 1.40 10.40 6.95 4.60 3.55 2.45 1.85 I ampere 0.01 1.55 2.60 3.00 3.10 3.15 0.01 1.85 3.10 3.65 4.35 4.80 0.01 2.00 3.35 4.35 4.85 5.40

3

4

5

b. Data bukaan 75% pada head 3, 4 dan 5 Tabel 1.3 Data hasil praktikum bukaan 75% dengan variasi head 3, 4, dan 5No. H Jumlah h n F V I


23


m.H2O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

3

4

5

Lampu 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5

mm 52 55 55 55 55 55 51 55 56 57 58 58 53 58 59 59 59 60

rpm 1230 1045 920 840 775 730 1555 1430 1370 1280 1275 1250 1810 1720 1695 1690 1680 1660

N 0.49 0.71 0.78 0.79 0.81 0.83 0.41 0.63 0.78 0.92 0.98 1.02 0.39 0.65 0.78 0.84 0.90 0.94

volt 6.80 3.31 1.85 0.95 0.56 0.42 7.92 4.60 3.00 2.00 1.44 1.09 9.03 5.30 3.54 2.65 1.93 1.44

ampere 0.01 1.43 2.25 2.60 2.70 2.80 0.01 1.70 2.75 3.40 3.90 4.35 0.01 1.48 3.00 3.85 4.36 4.80

c. Data bukaan 50% pada head 3, 4 dan 5 Tabel 1.4 Data hasil praktikum bukaan 50% dengan variasi head 3, 4, dan 5No. H Jumlah h n F V I


24


m.H2O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

3

4

5

Lampu 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5

mm 47 49 49 49 49 49 49 50 51 51 51 51 48 50 52 53 54 55

rpm 1050 680 530 495 480 460 1350 1200 1020 950 905 900 1660 1495 1415 1320 1236 1228

N 0.16 0.35 0.47 0.51 0.52 0.58 0.16 0.37 0.55 0.63 0.67 0.69 0.18 0.41 0.55 0.63 0.80 0.82

volt 6.25 1.99 0.65 0.35 0.27 0.23 7.44 3.70 2.27 1.31 0.91 0.65 8.80 4.83 3.34 2.23 1.68 1.21

ampere 0.01 1.13 1.51 1.61 1.72 1.84 0.01 1.55 2.49 2.90 3.30 3.51 0.01 1.72 2.86 3.60 4.15 4.54

1.8.2

Perhitungan Ralat Contoh Perhitungan Ralat Data yang digunakan sebagai contoh perhitungan ralat adalah sebagai berikut: Data pada bukaan 100%, H = 3 mH2O, dengan jumlah lampu = 5 n

Ralat putaran = 800 rpm n = 0.5 = n / n x 100 % = 0,5/800 x 100% = 0.06 % = 100% - Ralat Nisbi = 100% - 0.06% = 99.94 %

Ralat Nisbi Keseksamaan h

Ralat Ketinggian = 60 0.5 = h / h x 100 % = 0,5/60 x 100% = 0.83 %

h=

Ralat NisbiJURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS DIPONEGORO

25


Keseksamaan

= 100% - Ralat Nisbi = 100% - 0.83% = 99.17 %

Ralat Gaya F = 0.005

F = 0,61 Ralat Nisbi = F / F x 100 % = 0,005/0,61 x 100% = 0.82 % Keseksamaan = 100% - Ralat Nisbi = 100% - 5 % = 99.18 % Hasil perhitungan ralat a. Ralat Putaran Tabel 1.5 Ralat putaran Bukaan 100%, H = 3 m.H2ONo. 1 2 3 4 5 6 Bukaan % H Jumlah m.H2O Lampu 3 0 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 H Jumlah m.H2O Lampu 4 0 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 n rpm 1340 1115 1010 900 860 800 n rpm 1650 1550 1490 1480 1460 1400 n rpm 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 n rpm 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 Ralat nisbi Keseksamaan % % 0.04 99.96 0.04 99.96 0.05 99.95 0.06 99.94 0.06 99.94 0.06 99.94 Ralat nisbi Keseksamaan % % 0.03 99.97 0.03 99.97 0.03 99.97 0.03 99.97 0.03 99.97 0.04 99.96

100

Tabel 1.6 Ralat putaran Bukaan 100%, H = 4 m.H2ONo. 1 2 3 4 5 6 Bukaan %

100

Tabel 1.7 Ralat putaran Bukaan 100%, H = 5 m.H2ONo. 1 2 3 Bukaan % 100 H Jumlah m.H2O Lampu 5 0 5 1 5 2 n rpm 1880 1820 1760 n rpm 0.5 0.5 0.5 Ralat nisbi Keseksamaan % % 0.03 99.97 0.03 99.97 0.03 99.97


26


4 5 6

5 5 5

3 4 5

1730 1720 1700

0.5 0.5 0.5

0.03 0.03 0.03

99.97 99.97 99.97

Tabel 1.8 Ralat putaran Bukaan 75%, H = 3 m.H2ONo. 1 2 3 4 5 6 Bukaan % H Jumlah m.H2O Lampu 3 0 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 n rpm 1230 1045 920 840 775 730 n rpm 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 Ralat nisbi Keseksamaan % % 0.04 99.96 0.05 99.95 0.05 99.95 0.06 99.94 0.06 99.94 0.07 99.93

75


75

Tabel 1.10 Ralat putaran Bukaan 75%, H = 5 m.H2ONo. 1 2 3 4 Bukaan % 75 H Jumlah m.H2O Lampu 5 0 5 1 5 2 5 3 n rpm 1810 1720 1695 1690 n rpm 0.5 0.5 0.5 0.5 Ralat nisbi Keseksamaan % % 0.03 99.97 0.03 99.97 0.03 99.97 0.03 99.97


27


5 6

5 5

4 5

1680 1660

0.5 0.5

0.03 0.03

99.97 99.97


75


75

Tabel 1.13 Ralat putaran Bukaan 50%, H = 5 m.H2ONo. 1 2 3 4 5 Bukaan % 75 H Jumlah m.H2O Lampu 5 0 5 1 5 2 5 3 5 4 n rpm 1660 1495 1415 1320 1236 n rpm 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 Ralat nisbi Keseksamaan % % 0.03 99.97 0.03 99.97 0.04 99.96 0.04 99.96 0.04 99.96


28


6

5

5

1228

0.5

0.04

99.96

b. Ralat ketinggian Tabel 1.14 Ralat ketinggian Bukaan 100%, H = 3 m.H2ONo. 1 2 3 4 5 6 Bukaan % H m.H2O 3 3 3 3 3 3 H m.H2O 4 4 4 4 4 4 Jumlah Lampu 0 1 2 3 4 5 h mm 58 60 60 60 60 60 h mm 58 61 62 62 62 63 h mm 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 h mm 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 Ralat nisbi Keseksamaan % % 0.86 99.14 0.83 99.17 0.83 99.17 0.83 99.17 0.83 99.17 0.83 99.17 Ralat nisbi Keseksamaan % % 0.86 99.14 0.82 99.18 0.81 99.19 0.81 99.19 0.81 99.19 0.79 99.21

100

Tabel 1.15 Ralat ketinggian Bukaan 100%, H = 4 m.H2ONo. 1 2 3 4 5 6 Bukaan % Jumlah Lampu 0 1 2 3 4 5

100

Tabel 1.16 Ralat ketinggian Bukaan 100%, H = 5 m.H2ONo. 1 2 3 4 5 6 Bukaan % H m.H2O 5 5 5 5 5 5 Jumlah Lampu 0 1 2 3 4 5 h mm 59 60 63 64 64 64 h mm 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 Ralat nisbi Keseksamaan % % 0.85 99.15 0.83 99.17 0.79 99.21 0.78 99.22 0.78 99.22 0.78 99.22

100


29



75


75


75


30



50


50


50

c. Ralat Gaya


31


Tabel 1.23 Ralat gaya Bukaan 100%, H = 3 m.H2ONo. 1 2 3 4 5 6 Bukaan % H Jumlah m.H2O Lampu 3 0 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 F N 0.18 0.39 0.59 0.63 0.61 0.61 F N 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 Ralat nisbi Keseksamaan % % 2.83 97.17 1.27 98.73 0.85 99.15 0.80 99.20 0.82 99.18 0.82 99.18

100


100


100

Tabel 1.26 Ralat gaya Bukaan 75%, H = 3 m.H2ONo. Bukaan H Jumlah F F Ralat nisbi Keseksamaan


32


% 1 2 3 4 5 6

75

m.H2O 3 3 3 3 3 3

Lampu 0 1 2 3 4 5

N 0.49 0.71 0.78 0.79 0.81 0.83

N 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005

% 1.02 0.71 0.64 0.63 0.61 0.60

% 98.98 99.29 99.36 99.37 99.39 99.40

Tabel 1.27 Ralat gaya Bukaan 75%, H = 4 m.H2ONo. 1 2 3 4 5 6 Bukaan % Jumlah H m.H2O Lampu 4 0 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 F N 0.41 0.63 0.78 0.92 0.98 1.02 F N 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 Ralat nisbi Keseksamaan % % 1.21 98.79 0.80 99.20 0.64 99.36 0.54 99.46 0.51 99.49 0.49 99.51

75


75

Tabel 1.29 Ralat gaya Bukaan 50%, H = 3 m.H2ONo. Bukaan % H Jumlah m.H2O Lampu F N F N Ralat nisbi % Keseksamaan %


33


1 2 3 4 5 6

50

3 3 3 3 3 3

0 1 2 3 4 5

0.16 0.35 0.47 0.51 0.52 0.58

0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005

3.19 1.42 1.06 0.98 0.96 0.86

96.81 98.58 98.94 99.02 99.04 99.14


50


50

1.8.3

Analisa Data yang digunakan dalam analisa mengambil 1 sampel data yaitu data pada

bukaan 100%, H = 3 mH2O, dengan jumlah lampu = 5


34


a. Putaran rpm (n) n = 800 rpm b. Debit aliran (Q)

Gambar 1.19 Grafik Analisa Weirs Dari grafik kalibrasi weir didapat ; y = 7 . 10-6 (x)2.2702 Dimana y = Q (m3/menit) x = h (mm) Maka untuk h = 60 mm Q = 7 . 10-6 . (60)2.2702 . (1/60) Q = 0.00127 m3/s c. Daya air (WHP) Daya Air (WHP) WHP = .g.Q.H Dimana : = 1000 kg/m3 g = 9,81 m/s2 Q = 0,00127 m3/s H = 3 mH2O Sehingga,


35


WHP = 1000

kg m m3 .9,81 2 .0,00127 .4 m s m3 s

WHP = 37.368 Watt d. Torsi (T) T=F.r Dimana maka, F = 0,61 N r = 32 cm = 0,32 m T = 0,61 x 0,32 = 0,195 Nm

e. Daya keluar (BHP) BHP = =2. n.T . 6 0

2.3,14 .800 .0,195 60

= 16.3 Watt

f. Daya listrik (PEL) Pel = Vj . Ij = 0.55 volt . 3.15 A = 1.733 watt g. Efisiensi Turbin (T) T = daya mekanik / daya air .100% = =BH P W P H

x 100 % = 43.61 %

16 .3 x 100% 37 .3683

h. Efisiensi total / system eficiency (e)JURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS DIPONEGORO

36


e

= =

Pel x 100 % W HP1.733 x 100% 37 .368

= 4.64 % i. Efisiensi generator (G) G = =Pel X 100 % BHP1.733 x 100% 16 .3

= 10.63 %


37


Tabel Hasil Perhitungan Tabel 1.32 Hasil perhitungan untuk bukaan 100%Bukaan % 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 100 4 3 H m.H2O h Jumlah Lampu mm 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 58 60 60 60 60 60 58 61 62 62 62 63 n rp m 134 0 111 5 101 0 900 860 800 165 0 155 0 149 0 148 0 146 0 140 0 188F N 0.18 0.39 0.59 0.63 0.6 1 0.61 0.10 0.39 0.53 0.57 0.63 0.7 8 V volt 7.80 3.80 2.60 1.45 0.80 0.55 9.10 5.50 3.85 2.40 1.86 1.40 10.4 I A 0.01 1.55 2.60 3.00 3.1 0 3.15 0.01 1.85 3.10 3.65 4.35 4.8 0 Q m3/s 0.00118 0.00127 0.00127 0.00127 0.001 27 0.00127 0.00118 0.00132 0.00137 0.00137 0.00137 0.001 42 WHP Watt 34.60 37.37 37.37 37.37 37.3 7 37.37 46.13 51.73 53.67 53.67 53.67 55.6 6 Torsi Nm 0.057 0.126 0.188 0.201 0.19 5 0.195 0.031 0.126 0.170 0.182 0.201 0.25 1

No.

BH P Wat t 7.93 14.6 5 19.9 1 18.9 3 17.5 2 16.3 0 5.42 20.3 7 26.4 4 28.2 0 30.7 0 36.8 0

P EL Wat t 0.08 5.89 6.76 4.35 2.48 1.73 0.09 10.1 8 11.9 4 8.76 8.09 6.72

T % 22.9 1 39.2 2 53.2 8 50.6 5 46.8 8 43.6 1 11.7 5 39.3 8 49.2 5 52.5 5 57.2 0 66.1 2 15.4

e % 0.23 15.7 6 18.0 9 11.6 4 6.64 4.64 0.20 19.6 7 22.2 4 16.3 2 15.0 7 12.0 7

G % 0.98 40.1 9 33.9 5 22.9 8 14.1 6 10.6 3 1.68 49.9 5 45.1 5 31.0 6 26.3 5 18.2 6


38


1.8.4

Grafik dan Analisa Grafik

a. Grafik Hubungan n-Q pada H = 3 mH2O untuk variasi bukaan vane

Gambar 1.20 Grafik Hubungan n-Q pada H=3 mH2O untuk variasi bukaan vane Pada grafik digambarkan bukaan sudu 100% dengan warna biru, bukaan sudu 75% dengan warna merah dan bukaan sudu 50% dengan warna merah hijau. Dengan mengetahui nilai putaran (n) dan debit (Q) maka akan diketahui titik dan korelasinya. Bukaan sudu 100% menghasilkan debit lebih besar dibandingkan dengan bukaan 75% dan 50%. Dengan bertambah besarnya putaran poros motor, maka tinggi air dalam reservoir berkurang ketinggiannya (h) sehingga debit yang dihasilkan akan menurun.Q = 7.10 6.( h )2 , 2702

.

1 60

b. Grafik Hubungan n-T pada H = 3 mH2O dengan variasi bukaan vaneJURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS DIPONEGORO

39


Gambar 1.21 Grafik Hubungan n-T pada H = 3 mH2O dengan variasi bukaan vane Pada grafik hubungan antara putaran dengan torsi digambarkan bukaan sudu 100% dengan warna biru, bukaan 75% dengan warna merah dan bukaan 50% dengan warna hijau. Dengan mengetahui nilai n dan torsi maka akan diketahui titik dan korelasinya. Pada bukaan 75% diketahui lebih besar torsinya daripada bukaan 100% dan 50%. Alasan mengapa pada 75% lebih besar karena adanya kesalahan dalam pengamatan data dan kemungkinan terjadinya error pada alat ukur. Semakin kecil putaran poros maka gaya yang dihasilkan makin rendah maka torsi pun ikut menurun. Sebab torsi dipengaruhi besarnya gaya.

c. Grafik Hubungan n-WHP pada H = 3 m.H2O untuk variasi bukaan vane


40


Gambar 1.22 Grafik Hubungan n-WHP pada H = 3 m.H2O untuk variasi bukaan vane Pada grafik hubungan antara putaran dengan daya hidrolisis air (WHP) digambarkan bukaan sudu 100% dengan warna biru, bukaan sudu 75% dengan warna merah dan bukaan sudu 50% dengan warna hijau. Seperti halnya pada grafik n-Q, besarnya WHP dipengaruhi oleh debit (Q). Dengan semakin besarnya putaran, debit yang dihasilkan akan menurun yang akan berdampak dengan menurunnya WHP. Dan semakin besar debit maka akan semakin besar nilai WHP. Pada bukaan 100% akan lebih besar nilai WHP dibanding dengan bukaan 75% dan 50%.

d. Grafik Hubungan H-t pada Lampu 5 dengan variasi bukaan vane


41


Gambar 1.23 Grafik Hubungan H-t pada Lampu 5 dengan variasi bukaan vane Pada grafik digambarkan besarnya nilai efisiensi turbin untuk beberapa variasi bukaan (100%, 75%, 50%) dan beberapa besar head. Nilai efisiensi turbin untuk head 3, 5,dan 6 mH2O dengan variasi bukaan 100% berwarna biru, untuk bukaan 75% berwarna merah, sedangkan untuk bukaan 50% berwarna hijau. Head dengan besar 4 mH2O memiliki nilai yang lebih besar dari pada head 4 dan 5 mH2O untuk beberapa variasi bukaan. Dan bukaan 75% memiliki nilai efisiensi lebih baik Alasan mengapa pada 75% lebih besar karena adanya kesalahan dalam pengamatan data dan kemungkinan terjadinya error pada alat ukur. Dengan semakin besarnya head, maka besarnya gaya hidrolisis air (WHP) makin besar dan efisiensi pun menjadi lebih besar pula.

e. Grafik Hubungan H-t pada Lampu 1 untuk variasi bukaanJURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS DIPONEGORO

42


Gambar 1.24 Grafik Hubungan H-t pada Lampu 1 untuk variasi bukaan Pada grafik digambarkan besarnya nilai efisiensi turbin untuk beberapa variasi bukaan (100%, 75%, 50%) dan beberapa besar head. Nilai efisiensi turbin untuk head 3, 4 dan 5 mH2O dengan variasi bukaan 100% berwarna biru, untuk bukaan 75% berwarna merah, sedangkan untuk bukaan 50% berwarna hijau. Head dengan besar 5 mH2O memiliki nilai yang lebih besar dari pada head 3 dan 5 mH2O untuk beberapa variasi bukaan. Dan bukaan 75% memiliki nilai efisiensi lebih baik. Alasan mengapa pada 75% lebih besar karena adanya kesalahan dalam pengamatan data dan kemungkinan terjadinya error pada alat ukur. Dengan semakin besarnya head, maka besarnya gaya hidrolisis air (WHP) makin besar dan efisiensi pun menjadi lebih besar pula.

f. Grafik Isoefisiensi H = 5 mH2O


43


Gambar 1.25 Grafik Isoefisiensi H = 5 mH2O Pada grafik isoefisiensi H = 6 mH2O, digambarkan bukaan sudu 100% dengan warna biru , bukaan sudu 75% dengan warna merah dan bukaan sudu 50% dengan warna hijau. Dan garis isoefisiensi digambarkan dengan warna ungu yang menghubungkan titik ke lima dari masing-masing grafik bukaan. Untuk masing-masing efisiensi memotong garis hubungan antara putaran (n) dengan debit (Q) untuk masing-masing bukaan. Efisiensi yang sama terjadi pada Head (H) 5 mH2O dengan besar 46-64% pada pembebanan lampu 1 dengan variasi bukaan 100%, 75%, dan 50%. 1.9 Kesimpulan Dan Saran 1.9.1 Kesimpulan a. Persentase vane bukaan 100% akan menghasilkan daya yang lebih besar dibandingkan dengan persentase vane bukaan 75% dan 50 % b. Daya yang lebih besar akan menghasilkan torsi yang lebih besar.

c. Effisiensi tertinggi terjadi pada :JURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS DIPONEGORO

44


H Q T BHP

= 4 mH2O = 0.00118lt/s = 0.326 N.m = 42.71 watt

WHP = 46.133 watt dengan efisiensi: 92.59 % pada bukaan: 75% d. Nilai gaya bertambah sebanding dengan bertambahnya lampu dikarnakan daya keluaran turbin yang dibutuhkan tergantung besarnya nilai arus (I) dan hambatan (R). Dengan rumus : P = I2 R 1.9.2 Saran

a. Agar mesin tetap stabil sebaiknya di tambah stabilizer. b. Kurangnya kalibrasi pada alat ukur dan mesinnya, karena pada suatu pengukuran kesalahan dengan selisih 0,01 akan berpengaruh besar pada pengukuran torsi dan effisiensi. c. Karena percobaan manual maka praktikan harus benar benar teliti, agar kesalahan dalam perhitungan dapat dihindari. d. Setelah melaksanakan praktikum hendak membersihkan peralatan dan perlengkapan dengan tertib. e. Pengkonversian satuan pengukuran hendaknya dilakukan dengan teliti sehingga tidak mengakibatkan kesalahan pengolahan data pada proses selanjutnya.


45

bab i turbin francis

Documents