diktat mesin fluida 1
DESCRIPTION
Diktat mata kuliah mesin fluida di politeknik negeri medan.TRANSCRIPT
BAHAN AJAR MATA KULIAH MESIN FLUIDA
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
POLITEKNIK NEGERI MEDAN
TAHUN 2010
BAGIAN 1
Issued Date : 20 November 2008
1
MESIN – MESIN FLUIDA
1. Pendahuluan
Sebagian besar mesin – mesin fluida adalah mesin – mesin turbo
(kecuali pompa torak). Pada bab ini akan dibahas hal – hal yang berkaitan
dengan mesin – mesin turbo hidrolis. Pada mesin turbo hidrolis, fluida
mengalir melalui sudut – sudut lengkung, atau ruangan antara sudut –
sudut yang terdapat dalam rotor.
Gaya yang terjadi pada sudut – sudut tersebut berasal dari
perubahan momentum fluida yang mengalir dan akan menghasilkan torsi
pada poros rotor.
Daya yang dihasilkan adalah merupakan perkaliran dari torsi dan
kecepatan sudutnya.
Apabila daya dihasilkan oleh mesin – mesin turbo tersebut, maka
mesin tersebut disebut turbin dan bila daya diserap oleh mesin untuk
menaikkan tekanan, maka mesin tersebut dinamakan pompa.
2. Pengelompokan Turbin – Turbin Air
Turbin air dapat dikelompokkan menurut :
a. Tinggi Angkat (head) dan jumlah air yang diperlukan.
b. Nama dari penemuannya
c. Gerakan air pada sudut gerak
d. Letak dari poros turbin
e. Kecepatan spesifik dll.
a. Pengelompokan berdasarkan tinggi angkat dan jumlah air
diperlukan
Turbin impuls, memerlukan tinggi angkat yang besar dan laju air yang
kecil
Turbin Reaksi, memerlukan tinggi angkat dan laju air yang besar
2
b. Pengelompokan berdasar nama penemunya.
Turbin Pelton, dinamakan demikian sebagai penghargaan bagi
Loster Allen Pelton (1824 – 1908) dari California (USA), merupakan turbin
impuls yang tinggi dengan laju air yang kecil.
Gambar Turbin Pelton
Turbin Francis, dinamakan sama dengan nama penciptanya yaitu
James Francis Bichens (1815-1892) yang lahir di Inggris dan kemudian
pindah ke USA
Gambar Turbin Francis
Turbin Kaplan, dinamakan demikian untuk pengahargaan bagi Dr.
Victor Kaplan (1876-1934) Bruenn Jerman. Turbin ini reaksi yang sesuai
untuk tinggi angkat dan laju air yang rendah.
3
Gambar Turbin Kaplan
Gambar Perbandingan efisiensi dan daerah operasi Turbin air
C. Pengelompokan berdasarkan gerakan dari air atau
gerakan dari sudut
Gambar Pengelompokan Turbin Air
4
Turbin
TurbinImpuls
TurbinPelton
Turbin Reaksi
TurbinFrancis
TurbinDan Kaplan
Gambar Perbandingan Turbin Impuls dan Reaksi
d. Pengelompokan berdasarkan letak dari poros turbin
Poros turbin dapat diletakkan secara vertikal atau horisontal. Turbin
– turbin moderen yang praktis, misalnya Turbin Pelton biasanya dipasang
secara hirisontal, untuk unit – unit besar porosnya dipasang vertical.
Jenis Turbin lain
Gambar Turbin Osberger Gambar Turbin Angin
2.1 Turbin Impuls (Turbin Pelton)
Turbin impuls, adalah suatu turbin yang berputar karena adanya
impuls dari air. Air dari suatu bendungan/ dan diarlikan melalui pipa,
kemudian melalui mekanisme pengarah dan nosel. Dalam suatu proses,
seluruh energi dari air diubah kedalam energi kinetik dengan cara
5
melewatkan aliran air melalui suatu nosel yang letaknya dekat dengan
roda turbin (runner).
Air memasuki sudut – sudut yang berputar dalam bentuk aliran
tersebut menumbuk barisan sudut – sudut yang terpasang dibagian luar
rotor.
Aliran jet air menumbuk sudut dengan kecepatan tinggi, kemudian
mengalir melalui sudut dan meninggalkannya dengan kecepatan rendah,
yang berarti sebagian energinya tidak diserap oleh roda turbin. Tekanan
air masuk dan keluar sudut adalah tekanan atmosfir. Contohnya yang
paling umum dari Turbin Impuls adalah Turbin Pelton.
Turbin Pelton adalah suatu Turbin Impuls yang sesuai untuk tinggi
angkat air yang besar. Turbin ini mempunyai bagian – bagian utama
sebagai berikut :
1. Nosel
2. Roda Turbin dari Bucket
3. Rumah Turbin (Cassing)
4. Pemecah Jet (Breaking Jet)
Nosel
Gambar Nosel
Bucket
Bucket merupakan mekanisme pengarah berbentuk lengkung,
yang mengarah air sesuai dengan arah aliran yang direncanakan, juga
untuk mengatur aliran air. Aliran air dalam bentuk semburan (jet),
menumbuk Bucket (barisan sudut – sudut). Sebuah jarum konis dibagian
6
dalam ponsel berfungsi untuk mengatur jumlah air yang dialirkan seperti
ditunjukkan pada gambar 1. berikut.
Apabila jarum didorong ke arah nosel, penampang akan berkurang
dari semburan air (jet), akibatnya jumlah air yang mengalir melalui nosel
juga berkurang dan sebaliknya.
Gerakan jarum diatur dengan tangan atau secara otomatis, sesuai
keperluan yang diinginkan. Kadang – kadang diperlukan untuk menutup
nosel secara tiba – tiba, misalnya bila terjadi pengurangan beban secara
tiba – tiba pada turbin. Jika hal ini tidak dilakukan dapat menyebabkan
pecahnya pipa penyalur akibat kenaikan tekanan secara tiba – tiba. Untuk
menghindarkan hal ini diperlukan nosel tambahan (dikenal bypass nosel)
sehingga air dapat mengalir tanpa menumbuk bucket. Kadang – kadang
suatu pelat (deflector) dipasang pada nosel, yang berfungsi membelokkan
aliran jet dan mencegah jet menumbuk bucket.
Nosel diusahakan diletakkan sangat dekat dengan Bucket, sebagai
upaya untuk memperkecil kerugian pusaran.
RUNNER DAN BUCKET (SUDU)
Runner dari Turbin Pelton merupakan piringan yang dipasang pada
poros horizontal pada bagian keliling luar dari runner dipasang sejumlah
sudu (bucket) yang bentuknya seragam. Bukcet berbentuk mangkok hemi
sphercial atau jambangan (dikenal splitte) seperti ditunjukkan gambar 2.
Permukaan bucket dibuat sangat halus dan rata. Untuk tinggi
angkat yang rendah bucket biasanya terbuat dari besi cor. Untuk tinggi
angkat yang besar terbuat dari baja tahan karat(stainless steel) atau
paduan lainnya. Bila air secara kimiawi tidak murni, sudu umumnya dibuat
dari paduan khusus. Pemasangan bucket pada runner biasanya dilakukan
dengan baut. Namun kadangkala bucket dan piringan dicor menjadi satu
kesatuan dalam perkiraan keausan merata, namun dalam kenyataan tidak
demikian. Beberapa bucket rusak terlebih dahulu dan perlu diganti hal ini
memungkinkan jika bucket dipasang pada piringan.
7
Gambar Runner dan Bucket
CASING
Casing atau rumah turbin dapat dikatakan tidak berperan secara
hidrolis. Fungsinya untuk melindungi runner dari benturan mencegah
semburan air serta untuk mengarahkan air melewati saluran buang.
Casing terbuat dari coran atau fabrikasi lainnya.
Gambar Casing
BREAKING JET
Jika turbin akan berhenti nosel ditutup sama sekali. Namun dapat
diamati bahwa runner masih berputar beberapa waktu diakibatkan adanya
gaya inersia. Untuk menghentikan runner dalam waktu singkat diperlukan
nosel lain dari belakang bucket. Gerakan ini berfungsi sebagai rem untuk
mengurangi kecepatannya.
8
Gambar Breaking jet
KERJA YANG DIHASILKAN TURBIN IMPULS
Aliran jet air yang keluar dari nosel menumbuk bucket pada splitter.
Spiltter akan membelah aliran menjadi dua bagian yang sama. Satu
bagian dari aliran jet mengalir pada permukaan bagian dalam sudu dan
meninggalkan dengan sudut yang tajam. Bagian lain dari aliran jet
mengalir melalui permukaan dalam dari bagian sudut yang lain dan
meninggalkan dengan sudut yang tajam seperti gambar berikut.
Pada bagiann tengah dari bucket, aliran jet menumbuk splitter dan
membuat aliran terpisah. Aliran jet tersebut meninggalkan bucket dengan
sudut yang tajam. Dapat dilihat pada gambar segitiga kecepatan diatas,
pada sisi masuk berupa garis lurus saja, sedangkan pada sisi keluar
membentuk sudut. Seluruh teori tumbukan jet air tersebut dan notasi
dapat diterapkan untuk seluruh sudut.
Notasi
V = kecepatan absolut air masuk
V1= kecepatan relatif air terhadap bucket pada sisi masuk
Vt = kecepatan aliran pada sisi masuk
V1, Vrt, Vrt = harga – harga kecepatan pada ujung keluar (sisi keluar)
D = Diameter roda/ runner
d = diameter nosel
N = putaran turbin dalam rpm
Ǿ = sudut sudut pada ujung keluaran
9
H = head total air, dalam keadaan turbin beroperasi
Catatan :
1. Efisiensi maksimum dicapai bila cos Ǿ =1 atau Ǿ = 1800 tetapi
dalam prakteknya aliran jet hanya dibalikkan sebesar 1600 air
keluar dari bucket akan menumbuk bucket di depannya.
2. Dalam praktek efisiensi maksimum terjadi bila kecepatan putar
runner 0,46 kali kecepatan aliran jet air.
Daya yang dihasilkan
Dalam bab terdahulu telah diuraikan besarnya kerja yang dihasilkan oleh
tiap kg air ketika air menumbuk sudut suatu Turbin Impuls. Jika kerja yang
dihasilkan per kg air, maka daya yang dihasilkan turbin dapat dihitung
dengan rumus
Efesiensi dari Turbin Impuls
Efesiensi dapat didefenisikan sebagai perbandingan antara kerja
yang dilakukan turbin dengan energy yang tersedia. Pada turbin impuls
dikenal tiga jenis efisiensi, yaitu :
1. Efisiensi Hidrolis
2. Efisiensi Mekanis, dan
3. Efisiensi Total
Efisiensi Hidrolis
Efisiensi hidrolis adalah perbandingan dari kerja yang dilakukan
pada runner/ roda dengan energi yang terkandung dalam aliran jet.
Efisiensi hidrolis dari turbin impuls adalah :
10
Efesiensi Mekanis
Energi yang diberikan kepada roda tidak semuanya mejadi kerja
yang berguna. Sebagian dari energi tersebut diubah untuk mengatasi
gesekan pada bantalan – bantalan dan bagian – bagian berputar lainnya.
Efesiensi mekanis didefenisikan sebagai perbandingan antara kerja
turbin dengan energi yang diterima roda/ runner
Efesiensi Total (Overal Efficiency)
Besaran ini dipakai untuk penilaian terhadap performansi dari suatu
turbin dan merupakan perbandingan antara daya actual yang dihasilkan
dengan energy yang diterima turbin, yang besarnya adalah.
Soal Latihan
1. Suatu Turbin Pelton, beroperasi pada tinggi angkat sebesar 500 meter,
menghasilkan daya 13.000 KW pada putaran 430 rpm. Jika efisiensi roda
85% tentukan :
a) Keluaran (discharge) dari turbin
b) Diameter roda
c) Diameter nosel
(jawab :Q=3,12 m3/det, D=1,98m, dan d=200mm)
2. Suatu turbin Pelton direncanakan untuk menghasilkan daya 3750 KW
pada PLTA, dengan tinggi angkat 400 meter. Hitunglah aliran total dalam
liter/ detik dan ukuran dari jet. Asumsikan efisiensi generator 95%,
efisiensi total 80%, koefisien kecepatan aliran 0,97 dan perbandingan
0,46.
(Jawab : Q 1260 liter/ det, dan d = 13,7 cm)
11
3. Roda Pelton bekerja pada head 30 meter disuplai dengan laju aliran air
1.150 liter per detik. Kecepatan tangensial roda/ runner 12 meter/ detik
dan jet air dipantulkan balik oleh sudut dengan sudut 1600. dengan
mengabaikan rugi – rugi friksi tentukan daya yang dihasilkan turbin. Ambil
koefisien kecepatan 0,98 (Jawab :P=415 hp)
4. Suatu Turbin Pelton pada head 172 meter disuplai dengan laju aliran
190 liter per detik. Putaran roda 1.000 rpm dan jet air dipantulkan balik
oleh sudut dengna sudut 1600. Gunakan nilai koefisien dan ratio
kecepatan yang biasa/ lazim, tetukan daya yang dihasilkan turbin tersebut
dan efisiensi hidrolis (407,5 hp, 93,5%).
Jumlah jet pada Turbin Pelton
Turbin pelton secara umum hanya memiliki jet tunggal. Tetapi
apabila jet tunggal belum dapat menghasilkan daya sesuai dengan yang
diperlukan, kita dapat menambah jet lebih dari satu seperti gambar
dibawah ini :
Umumnya jumlah jet maksimum pada suatu Turbin Pelton enam
buah. Dalam merencanakan jet, perlu diperhatikan jarak antara jet pada
keliling luar dari roda Pelton harus sama.
Kadang – kadang sebagai ganti dari pemasangan sejumlah jet
pada roda seperti pada gambar 4) dua atau tiga piringan dipasang pada
poros turbin. Sistim yang demikian dikenal sebagai roda yang
menggantung (Ovehung wheels).
Pengaturan Turbin Impuls (Turbin pelton)
Dalam kondisi kerja, beban generator (yang dihubungkan ke turbin
impuls) selalu berfluktuasi dari waktu ke waktu. Fluktuasi beban generator
ini mempengaruhi turbin juga, karena generator dihubungkan secara
12
langsung dengan turbin. Perubahan beban pada turbin akan mengubah
juga kecepatan putar dan laju aliran air.
Telah diketahui, untuk memperoleh efisiensi yang tetap tinggi pada
beban yang berubah, kecepatan putar dari turbin harus dijaga konstan.
Hal tersebut dapat dilakukan dengan pengaturan yang dapat menjaga
kecepatan putar tetap konstan yaitu dengan mengatur laju aliran (sesuai
dengan kondisi beban saat itu), ini dikenal sebagai pengaturan turbin. Ada
beberapa cara untuk pengaturan turbin impuls, sejauh ini penggunaan
servo motor atau slinder relai (relay cylinder) umum digunakan, kedua
cara ini dijelaskan dibawah ini.
Servomotor pada hakekatnya adalah mekanisme yang terdiri dari
komponen – komponen yang ditunjukkan pada gambar 5.
1. Governor sentrifugal
2. Katup pengontrol
3. Servomotor
4. Pompa roda gigi
5. Bak Minyak
6. Jarum
7. Jaringan pipa, yang menghubungkan bak oli dengan katup
pengontrol dan katup pengotrol silinder rilai.
Governur sentrifugal digerakkan oleh poros turbin, dengan roda gigi
atau sabuk (belt) katup pengontrol mengatur arch aliran fluida (di
pompakan oleh pompa roda gigi dan bak minyak) melalui pipa AA atau
BB. Servomotor atau katup relai mempunyai sebuah piston (gerakkannya
dapat kekiri atau kekanan,tergantung tekanan fluida yang mengalir melalui
pipa AA atau BB) yang dihubungkan dengan jarum, yang akan
membalikkan gerakan jarum seperti yang ditunjukkan gambar 5.
Saat turbin beroperasi pada kecepatan normalnya, posisi piston
pada servomotor atau slander relai, akan mengatur katup dan bandul bola
dan governor sentrifugal pada posisi normal seperti ditunjukkan gambar
13
tesebut. Minyak yang dipompa roda gigi ke katup pengontrol akan
mengalir kembali ke bak minyak pads saat lubang pada pipa AA dan BB
tertutup oleh piston.
Pada saat beban turbin bertambah, kecepatan turbin akan turun.
Menurunnya putaran runner turbin menyebabkan menurunmya putaran
governor sentrifugal, ini akan rnenyebabkan bandul bola turun yang akan
membuat turunnya simpangan (karena berkurangnya gaya sentrifugal).
Penurunan bandul bola ini akan menyebabkan turunnya selongsong
(sleeve), karea selongsong dihubungkan dengan batang vertical dari
governor sentrifugal.
Penurunan selongsong akan mengangkat batang penghubung
katup pengontrol selongsong dihubungkan dengan batang penghubung
katup pengontrol oleh lengan yang ditumpu pada titik tumpu. Sedikit
gerakkan keatas dari katup pengontrol akan membuka lubang seluruh
pipa AA (saluran pipa BB tetap tertutup). Akibatnya minyak (dalam
keadaan bertekanan) akan lobos dari katup pengontrol ke sisi kanan
piston/torak pada servomotor melalui pipa AA. Minyak yang bertekanan ini
akan menggerakkan torak dan jarum kekiri, yang mengakibatkan
terbukanya penampang yang lebih luas dari nosel pengontrol aliran ke
turbin.
Penambahan luas penampag nosel akan menyebabkan
penambahan laju aliran air, irg akan menyebabkan meningkatnya
kecepatan putar dari turbin, setelah kecepatan turbin berubah dan
kecepatan normalnya, bandul bola akan bergerak ke atas dan selongsong
beserta katup pengontrolnya berada kembali berada pada posisi
normalnya.
Penting untuk diketahui, bila beban turbin berkurang, kecepatannya
akan baertambah. Sebagai akibatnya bandul bola akan naik (gays
sentrifugainya bertambah besar) dan selongsong juga akan naik, ini
menyebabkan katup control terdorong ke bawah, akan mengakibatkan
terbukanya saluran pipa BB (saluran pipa AA tetap tertutup). Minyak
14
bertekanan akan lobos dari katup pengontrol ke sisi sebelah kid torak
servomotor dan akan mendorong torak dan jarum ke arah kanan,
gerakkan ini akan memperkecil luas penampang nosel dan akibatnya
menurunkan laju aliran air. Penurunan laju aliran air ini akan menurukan
kecepatan turbin hingga mencapai kecepatan normalnya.
Gambar 5a. Governors Gambar 5b Pengaturan kecepatan turbin
impuls
2,2, Turbin Reaksi
Pendahuluan
Pada turbin reaksi, air masuk ke jaringan dalam keadaan
bertekanan dan mengalir ke sudu. Pada waktu air bertekanan mengalir ke
sekeliling sudu piringan, turbin akan berputar penuh dan saluran belakang
(tail race) akan terendim air seluruhnya. Tinggi angkat karena air sewaktu
mengalir disekeliling sudu akan diubah mejadi tinggi angkat kecepatan,
dan akhimya berkurang hingga tekanan atmosfir sebelum meninggalkan
piringan turbin.
Komponen-komponen utama dari Turbin Reaksi Suatu Turbin
reaksi terdiri dan komponen-komponen utama,
1. rumah turbin spiral (spiral casing)
15
2. mekanisme pengarah
3. runner turbin, dan
4. draft tube.
Rumah Turbin spiral (spiral casing)
Air yang berasal dan pipa penyalur, didistribusikan oleh sudu-sudu
pengarah dalam rumah turbin. Rumah turbin ini dirancang sedemikian
rupa sehingga penampang melintangnya secara seragam mengecil
sepanjang keliling lingkaran. Penampang melintang maksimum pada sisi
masuk dan minimum pada ujungnya seperti diperlihatkan pada gambar 6.
hi menjadikan umah turbin berbentuk spiral, oleh karena itu disebut rumah
turbin spiral.
Gambar 6 Rumah dan Turbin Reaksi
Spiral casing dilengkapi dengan lubang-lubang dan pengukur
tekanan, bahan casing disesuaikan dengan besamya head air pada waktu
turbin beroperasi, sebagai contoh:
Beton ………………………………….. sampai dengan 30 m
Pelat baja roll di las …………………… sampai dengan 100 m
Baja Tuan …………………………… lebih dari 100 m
16
Mekanisme Pengarah
Sudu-sudu pengarah dipasang tetap diantara dua buah cincin
dalam bentuk piringan yang dipasang tetap pada spiral casing. Sudu
pengarah dirancang sedemikian rupa sehingga :
1. Air dapat masuk ke runnertanpa mengalami kejutan (shock).
(Hal ini dilakukan dengan menjaga kecepatan relatipnya
pada sisi masuk runner, tangensial terhadap sudut sudu).
2. Air dapat mengalir melalui runner, tanpa timbul arus pusar.
3. Dapat melewatkan jumlah air yang diperlukan turbin.
Seluruh sudu pengarah dapat berputar pada masing-masing
engselnya, yang dihubungkan ke cincin pengatur oleh suatu peralatan
mekanis. Cincin pengatur dihubungkan dengan poros pengatur oleh dua
buah batang pengatur, sudu-sudu pengarah dapat ditutup atau dibuka
dengan memutar poros pengaturnya, sehingga jumlah air diperlukan
dapat diatur. Poros pengatur dioperasikan oleh suatu governor, yang
fungsinya sebagai pengatur turbin (untuk menjaga kecepatan konstan
pada bermacam-macam beban). Sudu pengarah umumnya dibuat dari
baja tuang.
Runner Turbin Reaksi
Runner dari Turbin Reaksi terdiri dari sudu-sudu runner yang
terpasang tetap pada suatu poros atau cincin, tergantung pada jeis
turbinnya. Sudu-sudu dirancang secara sempuma sehingga air
dapat masuk dan keluar tanpa terjadi gelombang kejut.
Runner dipasangkan pada suatu poros, dapat secara horizontal
maupun vertikal. Jika poros dipasang vertikal maka dinamakan
Turbin Vertikal, sedang bila poros dipasang horizontal dinamakan
Turbin Horizontal.
17
Gambar 7 Runner Turbin Reaksi
Permukaan runner dibuat sehalus mungkin, Runner dapat dibuat
dituang menjadi satu bagian atau dibuat dari pelat-pelat baja terpisah
yang kemudian disatukan dengan las. Untuk tinggi angkat yang rendah,
runner dibuat dari besi tuang. Tapi untuk tinggi angkat yang besar, runner
dibuat dari baja atau paduan. &la air secara kimiawi tidak mumi, runner
dibuat dari paduan khusus.
Draft Tube
Setelah melalui runner air akan mengalir ke bawah melalui sebuah
pipa yang disebut pipa darft (draft tube). Umumnya pipa ini mempunyai
panjang hingga 1 meter dibawah permukaan `tall race'. Pipa draft
mempunyai bermacam-macam fungsi yaitu:
1. Menambah tinggi angkat air, yang besarnya sama dengan
ketinggian dari keluar runner diatas tail race.
2. Menambah efisiensi turbin.
18
3. Perbedaan antara Turbin Impuls dan Turbin
Gambar Draft Tube
Reaksi Beberapa perbedaan antara Turbin Impuls dan Turbin Reaksi
Turbin Impuls Turbin Reaksi
Seluruh energi yang disediakan air diubah
dulu ke bentuk energi kinetik.
Energi yang tersedia. tidak diubah
dalam bentuk lain.
Air mengalir melalui nosel dan menumbuk
bucket-bucket yang terpasang tetap pada sisi
luar piringan.
Air diarahkan oleh sudu pengarah
ke sudu-sudu gerak.
Air menumbuk sudu/bucket dengan energi
kinetikya.
Air mengalir sepanjang sudu gerak,
dengan energi tekanannya.
Tekanan air tidak berubah, dan besarnya
sama dengan tekanan atmosfir.
Tekanan air berkurang setelah
melalui sudu-sudu gerak.
Piringan tidak harus berputar dengan
kecepatan penuh, dan tidak boleh ada udara
antara sudu dengan piringan.
Piringan diusahakan berputar
penuh dnanan agar selalu
digenangi air.
Air dapat hanya mengisi sebagian ruang dari
lingkaran atau seluruh lingkaran.
Air harus mengisi seluruh ruangan
lingkaran piringan.
Laju aliran air dapat diatur, tanpa terjadi
kerugian-kerugian.
Laju aliran air tidak dapat diatur
dengan tanpa timbulnya kerugian-
kerugian.
Kerja diperoleh dari perubahan energi kinetik
dari aliran jet.
Kerja diperoleh sebagian oleh
perubahan kecepatan, tapi hampir
19
seluruhnya disebabkan karena
perubahan head tekanan.
Pengelompokkan Turbin Reaksi
Turbin reaksi dapat dikelompokkan dalam tiga kelompok menurut arah
aliran air melalui piringan yaitu:
1, Turbin aliran radial
2. Turbin aliran aksial
3. Turbin aliran campuran
Dalam uraian berikut ini akan dijelaskan ketiga jenis turbni diatas.
Turbin aliran Radial
Turbin aliran radial adalah turbin dengan arah aliran air radial
(sepanjang radius piringan).
Turbin aliran radial dapat dibagi lagi dalam dua kelompok yaitu:
Turbin aliran ke dalam, yaitu turbin yang air masuk piringan dari
lingkaran luar (peripheri luar) dan mengalir ke arah dalam (ke arah
pusat piringan).
Turbin aliran ke luar, yaitu turbin yang air masuk pada pusat
piringan dan mengalir kea rah luar secara radial.
Turbln aliran aksial
Turbin aliran aksial adalah turbin yang air mengalir sejajar sumbu
piringan. Turbin demikian juga dinamakan Turbin aliran paralel.
Turbin aliran campuran
Turbin reaksi aliran kedalam sesuai dengan namanya adalah suatu
turbin reaksi yang air masuk piringan pada peripheri luar piringan
kemudian mengalir ke arah dalam melalui sudu (ke arah pusat piringan)
seperti ditunjukan gambar 8.
20
Suatu turbin reaksi aliran kedalam pada dasamya terdiri dari sudu
pengarah diam, yang fungsinya mengarahkan aliran air agar masuk ke
piringan putar pada sudut yang dikehendaki untuk menghilangkan
gelombang kejut aliran masuk dilakukan dengan jalan mengatur sudut
sudu sedemikian rupa sehingga kecepatan retatip air tangensial terhadap
piringan putar. Pada saat air mengalir di sekeliling sudu, air akan
memberikan sebagian gaya ke piringan putar melalui sudu. Gaya initah
yang menyebabkan piringan putar dapat berputar.
Perlu diketahui bila beban pada turbin berkurang poros cendrung
berputar lebih cepat. Gaya sentrifugal yang juga bertambah akibat
kecepatan poros yang lebih besar atau mengurangi laju aliran air
pada sudu-sudu tersebut, sehingga akan menyebabkan kecepatan
air masuk piringan putar juga berkurang. Akhimya ini akan
menyebabkan daya yang dihasilkan turbin berkurang. Ini
merupakan keuntungan dari turbin reaksi aliran ke dalam, yaitu
dapat secara otomatik mengatur beban yang dibutuhkan turbin.
Efisiensi tertinggi diperoleh bila kecepatan air meninggaikan sudu
sekecil mungkin.
21
Gambar 9. Segitiga kecepatan dari Turbin reaksi aliran kedalam
Kerja yang dilakukan dan karakteristik-karakteristik lain dari runner
turbin dapat diperoleh melalui penggambaran segitiga kecepatan dari sisi
masuk dan sisi keluamya. Seperti ditunjukkan dalam gambar 9.
V = Kecepatan absolut air masuk D = Diameter luar piringan
N = Putaran per menit dari piringan
v = Kecepatan tangensial piringan pada sisi masuk (kecepatan periphery
pada sisi masuk.
Vr= Kecepatan relatip air terhadap piringan, pada sisi masuk
V = Kecepatan aliran pada sisi masuk harga-harga pada sisi keluar
D = sudut air masuk piringan(sudut sudu pengarah)
N = sudut air meninggalkan piringan
V= sudut ujung sudu (blade) pada sisi masuk (sudut sudu/ vane pada sisi
masuk) = sudut ujung sudu (blade) pada sisi keluar (sudut sudu/vane
pada sisi keluar) H = Head total air
W= Laju aliran berat air yang memasuki piringan dalam 122- det
22
Contoh 2 :
Sebuah turbin reaksi, mempunyai diameter luar dan dalam piringan
masing – masing 1 meter dan 0,5 meter. Vane bersudut radial pada sisi
masuk dan aliran keluarnya radial pada sisi keluar, air memasuki vane
pada sudut 100. asumsikan kecepatan alirannya konstan sebesar 3m/det,
hitung :
a) Kecepatan piringan,
b) Sudut vane pada sisi keluar
Penyelesaian :
Diketahui
Diameter luar, D=1 m
Diameter dalam,D1=0,5 m
Sudut masuk air pada vane = 100
Kecepatan aliran pada sisi masuk Vt = Vt = 3m/det
Karena sudut vane radial pada sisi masuk dan keluarnya, maka
kecepatan pusaran pada sisi masuk dan keluarnya berharga nol, dan
bentuk dari kedua segitiga kecepatan ditunjukkan pada gambar 11.
- Kecepatan
N=kecepatan piringan dalam rpm
Dari segitiga kecepatan pada sisi masuk, kita dapat hitung
kecepatan tangensial piringan pada sisi masuk.
23
Gambar 11 Segitiga kecepatan contoh
Pelepasan (Discharge) dari Turbin Reaksi
Bagian pelepasan dari sebuah turbin reaksi dapat diketahui dari energy
yang tersedia atau dari kecepatan aliran pada sisi masuk/ sisi keluar
seperti akan ditunjukkan dibawah ini :
1. Energi yang tersedia :
H = Head air yang tersedia dalam meter
Q = Keluaran dari turbin dalam kg/ det atau liter/ det
Sehingga gaya kotor/ gross yang disediakan
2. Dari kecepatan aliran
Vf = Kecepatan aliran pada sisi masuk
D = diameter piringan pada sisi masuk, dan
b = tebal piringan pada sisi masuk
Laju aliran keluar piringan
Q = D b Vf n
selanjutnya, laju aliran air keluar piringan
Q1 = π D1 b1 Vf1
Catatan: karena laju air masuk sama dengan laju air keluar piringan, maka
π D b Vf = π D1 b1 Vfl
24
Contoh 3
Sebuah turbin reaksi aliran kedalam mempunyal diameter luar dan
dalam masingmasing 1 m dan 0,5 m. Air masuk piringan dengan
kecepatan 30 m/det pada sudut 10°, tebal piringan pada sisi masuk dan
keluar masing-masing 150 mm dan 300 mm. Sudut vane 90° pada sisi
masuk dan 25° pada sisi keluar. Tentukan :
a) Kecepatan tangensial runner pada sisi mesuk, dan
b) Kecepatan absolut air pada sisi keluar.
Penvelesaian:
Diketahui,
Diameter luar, D = 1m
Diameter dalam, Di = 0,5 m
Kecepatan air pada sisi masuk, V= 30 m/det
Sudut sudu pengarah, a =10°
Tebal piringan pada sisi masuk, b = 150 mm = 0,15 m
Tebal piringan pada sisi keluar, = 300 mm = 0,3 m
Sudut vane pada sisi masuk, Ǿ = 90°
Sudut vane pada sisi keluar, Ǿ =25°
Gambar 12 Segitiga kecepatan contoh soal 3
25
- Kecepatan tangensial runner pada sisi masuk, v
Dari segitiga sisi masuk, kita dapat hitung v yaitu :
V = v cos α = 30 cos 100 = 30 x 0,848 m/det
= 29, 54, m/det
- Kecepatan absolut air pada sisi keluar, V1
dari segitiga sisi masuk, dapat dihitung kecepatan aliran pada
masuk,
Vt = V sin α = 30 sin 100 = 10 x 0,1736
m/det
= 5,21 m/ det
Kecepatan tangensial runner pada sisi keluarnya
Daya varm dihasilkan Turbin Reaksi
Telah dibahas pada bagian tredahulu, bahwa dihasilkan kerja per
kg air ketika air tersebut mengalir melalui vane. Jadi jika jumlah air yang
mengalir ke vane per detiknya diketahui, maka daya yang dihasilkan
turbin dapat dihitung dari,
Efisiensi Turbin Reaksi
Secara umum, istilah efisiensi didefinisikan sebagai perbandingan
antara kerja yang dilakukan dengan energi yang tesedia. Pada siitem
turbo-hidrolik dikenal tiga jenis efisiensi yaitu :
1. Efisiensi hidrolik
2. Efisiensi mekanik, dan
3. Efisiensi total
26
Efisiensi Hidolik
Efisiensi hidrolik didefinisikan sebagai perbandingan antara kerja
yang dilakukan pada pinggiran dengan tinggi angkat (energi air
sebenarnya yang tersedia),
Efisiensi Mekanik
Efisiensi mekanik didefinisikan sebagai perbandingan antara kerja
sebenarnya yang dapat disediakan turbin dengan energi yang diserap
piringan. Energi yang diserap piringan (untuk kasus arah kecepatan keluar
radial)
Efisiensi Total
Besaran ini merupakan ukuran dari performasi suatu turbin yang
didefinisikan sebagai perbandingan antara daya yang dapat dihasilkan
oleh turbin dengan energi sebenamya yang diberikan pada turbin oleh air,
Contoh 4
Sebuah turbin reaksi aliran kedalam mempunyai kecepatan tangensial
runner, kecepatan aliran dan kecepatan pusar pada sisi masuk, masing-
masing sebesar 30
Mesin Fluida 29 m/det, 3m/det dan 24m/det. Anggap bahwa kecepatan
keluar mempunyai arah radial terhadap sisi keluar dan efisiensi hidrolik
adalah 78%, Tentukan tinggi angkat total pada turbin, dan sudut vane
pada sisi masuknya.
27
Penyelesaian:
Diketahui,
Kecepatan tangensial runer, v = 30m/det
Kecepatan aliran pada sisi masuk, Vf = 3m/det
Kecepatan pusaran pada sisi masuk, V, = 24m/det
Efisiensi hidrolis, nn = 78%.= 0,78
Gambar 13 Segitiga kecepatan contoh soal 4
Tinggi angkat total turbin, H
Karena keluaran berarah radial pada sisi keluamya, maka
kecepatan pusaran pada sisi keluamya berharga nol.
Dengan menggunakan hubungan,
Sudut vane pada sisi masuk, 8 dari segitiga kecepatan pada sisi
masuk,didapat :
28
tan (180°-Ө )= 26° 34.
Turbin Francis
Turbin Francis adalah sebuah turbin reaksi aliran kedalaman yang
mempunyai keluaran radial pada sisi keluamya. lni adlah turbin
reaksi aliran kedalaman dan pertama kali dirancang oleh Francis.
Jenis turbin ini paling banyak digunakan sampai saat ini, untuk
menghasilkan daya pada tinggi angkat menengah.
Gambar 14. Runner Turbin Francis
Turbin Farancis modem mempunyi aliaran campuran (kombinasi
antara radial dan axial), runner dari turbin jenis ini seperti
ditunjukkan Gambar 14.
Tinggi atau panjang runner tergantung pada kecepatan spesifik dari
turbin. Sebuah turbin Francis yang memiliki kecepatan spesifik
yang besar, mempunyai runner yang lebih panjang dari pada turbin
dengan kecepatan spesifik yang lebih kecil. Runner dari turbin
29
Francis dapat dibuat secara tuang dalam satu kesatuan, atau
dibuat terpisah dari plat baja yang di satukan dengan las. Runner
dari lazimnya dibuat untuk daya keluaran yang lebih kecil, untuk
daya yang besar dari baja tuang, dan baja tahan karat atau logan
non - Ferro seperti Bronze, Jika air secara kimia tidak mumi an
dapat menimbulkan korosi. Sudu-sudu dari runer harus dikerjakan
dengan hati-hati dalam pembuatannya.
Semua hubungan untuk menentukan barbagai sudut dan
karakteristik lain yang digunakan dalam turbin reaksi aliran
kedalam, juga dapat diterapkan untuk Turbin Francis.
Catatan:
James Frances (1875 —1892 ), seorang ahli dan insinyur
berkebangsaan Inggris, yang pindah ke Amerika Serikat tahun
1833, is melakukan experiment secara
intensif dan mengembangkan turbin aliran kedalam, yang
kemudian dinamakan sesuai dengan namanya.
Turbin Francis terbesar di dunia saat ini terdapat di Krasnoyarsk
(Rusia) yang menghasilkan 690.000 BHP pada tinggi angkat 75 m.
Turbin francis lainnya terdapat di Nohab (Swedia) menghasilkan
313,000 BHP pada head 100 m.
Contoh 6
Sebuah Turbin Francis, bekerja pada tinggi angkat 14 m, mempunyai
sudut sudu pengarah 20° dan bersudut radial pada sisi masuknya.
Perbandingan antara diameter sisi masuk dan sisi keluar adalah 3
banding 2 dan kecepatan aliaran pada sisi keluar adalah 4 m/detik.
Anggap kecepatan aliran adalah konstan, Tentukan kecepatan keliiing air
pada sisi masuk dan sudut vane pada sisi keluar.
Penyelesaian :
30
Diketahui, tinggi angkat air, H = 14 m Sedut sudu pengarah, a =
20°
Sudut vane sisi masuk, 8 = 90°
Diameter dalam piringan, D = 3/2 Dt
Kecepatan aliran pdda sisi keluar, VII= 4 m/det
Kecepatan aliran pada sisi masuk, Vf =
Kecepatan keliling piringan pada sisi masuknya, v dari segitiga sisi
Sudut vane pada sisi keluar,
Untuk tubuh turbin Francis, maka sudut keluaran adalah radial, karena
diketahui diameter luar dari turbin adalah 2/3 dari diameter dalam, maka
kecepatan keliling piringan pada sisi keluar dapat diketahui dari segitiga
kecepatan pada sisi keluar didapat.
Contoh 7
Sebuah turbin Francis, mempunyai efesiensi total 75%, memberikan daya
180 HP pada tinggi angkat 9 meter pada putaran 120 rpm. Diketahui
kecepatan keliling pringan dan kecepatan aliran pada sisi masuk masing-
masing adalah 3,47 lig dan 1,15 TH . Jika kerugian hidrolik pada turbin
sebesar 20%. Dari energi yang tersedia, tentukan.
a) sudut sudu pengaruh pada sisi masuk
b) sudut vane peringan pada sisi masuk, dan
c) diameter piringan
Penyelesaian :
Diketahui :
Efesiensi total no = 75% = 0,75
Daya P = 150 hp
Head H = 9 m
Kecepatan piringan N = 120 rpm
Kecepatan keliling piringan pada sisi masuk
V = 3,47 H
31
= 3,47 m/det
= 10,41 m/det
Kecepatan aliran pada sisi masuk
V = 1,15 H
= 1,15 m/det
= 3, 45 m/det
Gambar 16. Segitiga kecepatan contoh soal 7
Contoh 8
Sebuah turbin campuran aliran kedalam dengan sudut keluaran
radial, diperlukan untuk membangkitkan daya 2.580 kW pada head 30 m,
dengan efisiensi total 83% .Kecepatan keliling piringan 0,9 2gH dan
kecepatan aliran 0,304 2gH. Jikapiringan berputar 300 rpm dan kerugian-
kerugian hidrolik adalah 12% Tentukan lah:
a) Keluaran dari turbin
b) Sudut sudut pengarah
c) Sudut vane pada sisi masuk
d) Diameter piringan pada sisi masuk
32
Penyelesaian :
Diketahui
Daya P = 2,580 kW
H = 30 m
Efesiensi total n0 = 82% = 0,82
Kecepatan keliling piringan
Kecepatan aliran pada sisi masuk
Vt = 0,3 akar 2 g H
= 0,3 akar 2 x 9,81 x 30
= 7,28 M/det
Kecepatan putaran N = 300 rpm
Kerugian – kerugian hidrolik = 12 %
Efisiensi hidrolik
nr = 100 – 12 = 88% = 0,88
Karena pada sisi keluar arah aliran adalah radial, maka kecepatan
pusaran pada sisi keluarnya nol.
33
Gambar 17 Segitiga kecepatan contoh soal 8.
Turbin Kaplan
Turbin Kaplan adalah sebuah turbin reaksi axial, yang air mengalir
paralel dengan poros turbin. Turbin Kaplan biasa digunakan untuk laju
aliran air yang besar dan tinggi angkat rendah
Gambar 18 Runner Turbin Kaplan
Runer dari turbin Kaplan bentuknya menyerupai propeller kapal
laut, oleh karena itu turbin Kaplan juga disebut sebagai turbin
Propeller.
34
Air mengalir melewati sudu-sudu pengarah dan kemudian mengalir
melewati vane. Pada saat air mengalir melalui vane, sejumlah daya
diserap poros turbin, sehingga menyebabkan poros berputar.
Dua perbedaan utama antara runner dad turbin Kaplan modern
dengan turbin Francis yaitu:
Pada turbin Francis, air masuk secara radial, sedangkan pada
runner turbin Kaplan air menumbuk secara laksial.
Sudu pada runner turbin Francis, lazimnya berjumlah antara 16 dan
24 : sedangkan pada runner turbin Kpalan antara 3 dan 8,
sehingga tahanan friksi umumnya lebih kecil.
Gambar 19 menunjukkan salah satu tipe, runner turbin Kaplan.
Sudu-sudu dari turbin dapat diatur sedemikian rupa sehingga ruang
diantara sudu dapat divariasi:
Runner dari turbin Kpalan, berupa boss dan tidak lain aaalah
perpanjangan dari poros (pada sisi bawah) seperti yang
ditunjukkan gambar 18 dan 19.
D = Diameter turbin
Db = Diameter boss, dan
Vf = Kecepatan aliran pada sisi masuk
35
Gambar 19 Turbin Kaplan
Keluaran dari turbin:
Q = Vf X 4 '73- (D2 — Db2)
Untuk analisa turbin Kaplan semua notasi seperti yang diterapkan
pada turbin reaksi, demikian pula persamaan-persamaan untuk
turbin reaksi juga berlaku untuk turbin Kpalan.
Tabel berikut ini memberikan angka-angka perbandingan diameter
boss terhadap diameter terluar dan jumlah sudu dari turbin Kaplan
untuk berbagi tinggi angkat (head) air.
Tabel 1
Tinggi angkat
(meter)
5 20 40 50 60 70
36
Db D 0,3 0,4 0,5 0,55 0,6 0,7
Jumlah sudut 3 4 5 6 8 10
Victor Kaplan (1815-92) adalah seorang ahli pegetahuan Jerman
yang merancang turbin untuk tingi angkat yang rendah dan laju
aliran besar.
Turbin Kaplan terbesar di dunia terdapat pada aliran sungai Volga
(Rusia) mengahsilkan 172.000 bhp pada tinggi angkat 22,5 m,
pada putaran 68,2 rpm. Turbin ini mempunyai miter dengan
diameter 9,3 m. Turbin Kaplan terbesar kedua di Dalles,
meghasilkan daya sebesar 125.000 bhp pada tinggi angkat 24,7 m.
Tinggi angkat terbesar yang digunakan oleh turbin Kpalan terdapat
di Tres Marais (Brazil), sebesar 55 m dan menghasilkan 100.000
bhp, turbin ini berdiameter 8,4 m. Tinggi angkat terendah yag
digunakan untuk turbin Kpalan terdapat di Vargon
(Swedia) yaitu 4,3 m dan menghasilkan daya 15.200 bhp, turbin ini
beridameter 8 m.
Contoh Soal 9.
Suatu turbin Kaplan beroperasi pada tinggi angkat neto 20 meter
menghasilkan daya sebesar 50.000 hp dengan efisiensi total 36 %. Jika
perbandingan kecepatan 2,0 dan perbandingan aliran 0,60, kemudian
diameter hub piringan 0,35 kali diameter luar piringan. Tentukanlah
diameter dan kecepatan turbin tsb?
Diketahui
Head, H = 20 m
Daya, P = 50.000 hp
37
Efesiensi total = 56 % = 0,58
Perbandingan kecepatan = 2,0
Kecepatan, v = 2 x akar 2 x 9,81 x 20 = 39,62 m/det
Perbandingan aliran = 0,60
Diameter hub, D0 = 0,35 D
Diameter turbin, D
Pipa Draft
Pipa draft adalah sebuah pipa yang menghubungkan turbin dengan
pelepasan air. Selain sebagai saluran air, pipa draft juga
mempunyai dua fungsi penting lainnya yaitu:
Memungkinkan turbin di tempatkan diatas saluran bagian balakang
(fail rase), sehingga pemeriksannya dapat dilakukan dengan
mudah.
Untuk mengubah energi kinetik dan air yang dikeluarkan oleh
runner ke dalam bentuk energi tekanan pada pipa.
Jenis-jenis pipa Draft
Walaupun terdapat beberapa jenis pipa draft, dibawah ini akan
dibahas dua jenis pipa draft yang palig umum digunakan saat ini
yaitu,
Pipa draft konis dan
Pipa draft Elbow.
38
Pipa Draft kronis
Gambar 20. Pipa Draft Konis
Pipa draft jenis konis, diameter pipa draft membesar kearah outlet
membentuk difusor.
Pipa draft konis umumnya digunakan pada turbin Francis. Untuk
mencapai efisiensi yang balk, sudut pelebaran diametemya
diusahakan sebesar 8°. Pipa draft konis yang ditunjukkan Gambar.
20 yang mempunyai ujung sisi keluar seperti beMonceng dan
cocok digunakan pada turbin aliran kedalaman maupun aliran
keluar dimana aliran biasanya terbentuk akibat kecepatan pusaran
pada sisi keluar runner.
Efisiensi dari pipa draft konis sebesar 90%.
Pipa draft Elbow
Pipa draft jenis Elbow, umumnya mempunyai balokan 900 dengan
penampang pipa membesar kearah outlet seperti ditunjukkan pada
gambar 21 (a) dan (b).
39
Pipa draft Elbow umumnya digunakan pada turbin Kaplan seperti
ditunjukkan dalam Gambar 21. Tetapi pipa draft yang ditunjukkan
dalam Gambar 21 (b) dipakai juga pipa drfat Elbow penampang
melintang lingkaran pada sisi masuk dan penampang empat
persegi panjang pada sisi keluar.
Gambar 21. Pipa Draft Elbow
Dimana:
V2 = kecepatan air pada sisi masuk pipa draft, dan
V3 = kecepatan air pada sisi keluar draft.
Contoh Soal 10
Sebuah turbin Kaplan menghasilkan daya 2000 hp pada tinggi
angkat 6 m dipasang 2,5 m diatas permukaan air pada sisi
pembuangan.
Instrumen pengukur hampa yang dipasang pada sisi keluar turbin
mencatat tinggi angkat sebesar 3,1 m. Jika efisiensi turbinnya
adalah 85%, tentukan efisiensi draft yang memiliki diameter sisi
masuknya 3 m?
40
UNJUK KERJA TURBIN
PENDAHULUAN
Pada bab terdahulu (turbin impuls dan turbin reaksi) secara umum
diasumsikan bahwa, sebuah turbin bekerja pada tinggi angkat (head),
kecepatan dan aliran keluar konstan. Dalam keadaan sebenarnya, asumsi
– asumsi tersebut jarang terpenuhi. Oleh karena itu penting diketahui asal
dari beberapa variabel yang terjadi secara umum. Walaupun pada
hakekatnya terdapat berbagai macam variasi, dibawah ini akan
disebutkan variasi – variasi terpenting yang berhubungan dengan
permasalahan
1. Dengan menjaga keluaran (discharge) konstanta, tinggi angkat
(head) dan daya keluar dapat bervariasi. Kecepatan dapat diatur,
sehingga perubahan efisiensi tidak nampak
2. Dengan menjaga tinggi angkat (head) air dan kecepatan konstanta,
aliran keluaran dapat bervariasi. Aliran keluaran turbin dapat
diatur
3. Pada turbin – turbin yang bekerja dengan tinggi angkat (head)
rendah, tinggi angkat (head) masih dapat bervariasi sampai 50%
4. Dengan menjaga tinggi angkat (head) dan keluaran konstanta,
kecepatan dapat bervariasi dengan mengatur beban turbin. Hal ini
hanya dilakukan di Laboratorium
Karakteristik Turbin
Kadang – kadang pula untuk membandingkan unjuk kerja turbin,
aliran keluaran dan putaran yang berbeda dan beroperasi pada tinggi
angkat (head) yang berbeda pula. Untuk menyederhanakan perbandingan
umumnya dilakukan dengan mengambil acuan tinggi angkat (head) air
sebesar 1 meter. Tiga karakteristik turbin yang didasarkan pada tinggi
angkat (head) satuan yaitu satu meter adalah :
41
1. Unit Daya
2. Unit Kecepatan
3. Unit Keluaran
Unit Daya (Daya spesifik)
Daya yang dihasilkan sebuah turbin, yang bekerja pada tinggi
angkat sebesar satu meter, dikenal sebagai unit daya.
Daya dapat dihitung sebagai berikut :
Bila H = Tinggi angkat air, saat turbin beroperasi
P = daya kuda yang dihasilkan turbin pada tinggi angkat H
Q = keluaran turbin pada tinggi angkat H
Dengan asumsi Cv = 1 kecepatan air dapat dihitung dihitung dari
persamaan,
V=
Jadi keluaran ,
Q = A.V = A
Kecepatan turbin yang bekerja pada tinggi angkat sebesar satu meter,
dikenal sebagai unit kecepatan.
Daya yang dihasilkan turbin dapat ditentukan sebesar ,
≈ H3/2
= Pu H 3/2 atau Unit daya (Daya spesifik)Pu =
Unit Kecepatan (Kecepatan Spesifik)
Kecepatan turbin yang bekerja pada tinggi angkat sebesar satu meter,
dikenal sebagai unit kecepatan.
Unit kecepatan (Kecepatan Spesifik) suatu turbin dapat ditentukan dengan
cara di bawah ini
Bila
42
H = tinggi angkat (head) air, saat turbin beroperasi
V = Kecepatan tangensial runner
N = Kecepatan runner turbin pada tinggi angkat H
Nu = Kecepatan yang dihasilkan oleh turbin yang sama pada tinggi angkat
satuan (Kecepatan Spesifik)
Dengan Asumsi Cv = 1, kecepatan air
V=
Dan kecepatan tangensial runer,
V = kecepatan air (V)
≈
Putaran runner turbin dapat dihitung dari
N = Nu
Nu =
Unit Aliran Keluar (Laju aliran Spesifik)
Aliran keluar turbin yang bekerja pada tinggi angkat (head) sebesar satu
meter, dikenal sebagai unit keluaran.
Unit aliran keluar dapat dihitung sebagai berikut :
Bila H = tinggi angkat (head) dimana turbin bekerja
Q = Keluaran turbin pada tinggi angkat H, dan
Qn = Keluaran turbin dari turbin yang sama, pada unit tinggi angkat
Dengan asumsi Cv = 1, Kecepatan air dapat dihitung dari,
Keluaran, Q = A V = A
43
Jadi keluaran satuan (laju aliran spesifik) adalah
Arti dari Unit Daya, Unit Kecepatan, da Unit Keluaran
Konsep unit daya, kecepatan dan keluaran, sangat penting di bidang hidrolika.
Konsep-konsep tersebut dapat membantu untuk menentukan karakteristik turbin, dengan
dasar tinggi angkat (head) yang berbeda.
1.Arti Unit Daya
Jika H = Tinggi angkat (head) air, saat turbin bekerja
P = Daya yang dihasilkan turbin, pada head H, dan
P1 = Daya yag dihasilkan turbin, pada head Hi
Telah kit ketahui dari penurunan unit daya bahwa,
P - H3/2
Jadi untuk suatu turbin
P - H3/2
Atau
P1 = P
2. Arti Unit Kecepatan
Jika H = tinggi angkat (head), saat turbin bekerja
N = Kecepatan turbin, pada tinggi angkat (head) H, dan
N1= kecepatan turbin, pada tinggi angkat air H1
Telah ditunjukkan bahwa unit kecepatan
N-
N 1 -
44
Atau
N1 =
3. Arti Unit Kecepatan
Jika H = tinggi angkat, saat turbin
Q = keluaran turbin, pada head
H = Keluaran turbin, pada tinggi angkat (head) air H1,
Telah ditunjukkan dari hasil penjabaran bahwa,
Q -
Atau Q1 -
Jadi
Q1 = Q
Contoh 11
Sebuah turbin impuls, dengan kecepatan yang terbaik menghasilkan 125 hp pada
tinggi angkat 64 m. Tentukan berapa persen kecepatan harus ditambah untuk tinggi
angkat 81 m.
Penvelesaian :
Diketahui
Daya, P = 125 hp
Head, H = 64 m
Head yang baru, H, = 81 m
Jika N = Kecepatan turbin pada tinggi angkat 64 m,
dan N1 = Kecepatan turbin pada tinggi angkat 81 m.
45
Dengan memakai hubungan,
N1 = N
= N
Pertambahan kecepatan
=
=12,5%.
Contoh 12
Sebuah turbin Pelton menghasilkan 7500 hp pada tinggi angkat 240 m dengan
efisiensi total 83% ketika berputar pada 200 rpm. Hitung unit keluaran, unit daya
dan unit kecepatan. Asumsikan koefisien peripheral = 0,46.
Jika pada musim kering tinggi agkat berkurang 150 m, hitung keluaran , daya dan
kecepatan
Penyelesaian:
Diketahui
Daya, P = 7500 hp
Head, H=240 m
Efisiensi total no = 83%= 0,83 Kecepatan, N = 200 rpm
Koefisien peripheral = 0,46 Head yang baru, H1 = 150 m.
Degan mengguakan hubungan,
46
0,83 =
Q = 2.824 m3/det
Unit Keluar
Jika Q4 = keluaran satuan turbin
Dengan menggunakan persamaan,
Q4 =
= = 0,182 m3/det
Unit Daya
Jika Nu = adalah kecepatan saluran turbin, dengan menggunakan persamaan
Nu =
=
Keluaran Normal
Jika, Q, = keluara pada tinggi angkat 150 m
Dengan menggunakan hubungan,
Q1 = Q
= 2,824 = 2,233 m3/det
Daya Normal:
Jika, P1 = Daya pada head 150 m
Dengan menggunakan hubungan,
= P 111312
= 7.500 (-1-5(:)312 = 3706 hp
47
Kecepatan Normal
Jika N1 = kecepatan pada head 150 m
Dengan menggunakan persamaan,
N1 = N
= 200
Kecepatan Spesiflk Turbin
Sifat turbin pada satuan telah dibahas, langkah beridentik (serupa
geometrisnya, juga mempunyai sudut sudu yang sama) dengan turbin
sebenamya, tetapi ukurannya diperkecil sehingga (head) satuan daya
yang dihasilkan oleh satuan tinggi angkat kecil (daya 1 hp dihasilkan oleh
tinggi angkat 1 meter). Turbin imaginer ini disebut turbin spesifik dan
kecepatannya dikenal sebagai keceptan spesifik.
Jadi kecepatan spesifik turbin dapat didefinisikan sebagai kecepatan
turbin maginer yang identik dengan turbin yang diketahui, yang akan
menghasilkan daya satuan hp pada satuan tinggi angkat (head).
JIka, Ns = Kecepatan spesifik turbin
D = Diameter runner turbin
N = Kecepatan runner, dalam rpm
v = kecepatan tangensial runner,
V = kecepatan absoiut air
Kecepatan tangensial runner,
` v – V
-
(v- )
Dan kecepatan tangensial runner,
48
V =
Atau DN – v
Dapat ditentukan - ……………….. (v- )
D - ……………….. (1)
Jika, Q = keluaran turbin
b = lebar runer turbin
Vf = kecepatan aliran, dan
D = Diameter runer turbin
Keluaran turbin adalah,
Q = D.b . V f
Tetapi b - D
Dan Vf
-
Q - D. D 2 gh
-D2
Subtitusi harga D2 dari persamaan (1) memberikan,
Q -
- …………… (2)
Jika P = Daya yang dihasilkan turbin
P =
- Q H
Atau N2 -
49
N -
= Na x
Atau Ns =
Perlu dicatat bahwa persamaan kecepatan spesifik diatas bila dipakai
satuan metrik maka P dalam hp, H dalam meter dan N dalam rpm.
Dalam satuan SI, daya dinyatakan dalam Kilowatt satuan untuk H dan N
tidak seperti dalam sisitem metric. Sudah barang tentu hal ini menyebabkan
harga kecepatan spesifik dalam satuan SI akan berbeda dengan harga
satuan MKS. Hubungan kodua satuan untuk kecepatan spesifik adalah
Ns (satuan SI) = 0,86 x N5 (satuan MKS)
Kegunaan dari persamaan diatas dibahas secara lebih terperinci dalam
bagian selanjutnya yaitu tentang persamaan pemilihan turbin berdasarkan
kecepatan spesifik.
Contoh 12
Suatu posisi hidrolis memberikan tinggi angkat 9 meter dan keluaran rata-
rata 11,200 1/s untuk satuan generator denga kecepatan 200 rpm.
Tentukan kecepatan spesifik asumsikan efisiensi = 92%
Diketahui tinggi angkat H = m
Keluaran, Q = 11.200 1/s = 11.2 M3/s
Kecepatan N = 200 rpm
Efisiensi = 92% = 0,92
Jika, P = Daya yang dihasilkan turbin, dan
N5 = Kecepatan spesifik turbin
Dari Persamaan
50
Diperoleh
0,92 =
P = 0,92 x 1,344 = 1,236 hp
Kemudian dengan hubungan
Ns =
=
Contoh 12
Sebuah turbin mengahasilkan 10.000 kW pada tinggi angkat 25 meter,
dan putaran 135 rpm. Tentukan kecepatan spesifiknya? Tentukan juga
kecepatan normal dan keluaran pada tinggi angkat 20 meter.
Penelesaian. Diketahui:
Daya, P = 10.000 kW
Tinggi angkat H=25 m
Kecepatan N= 135 rpm
Head yang baru H1= 20 m
- Kecepatan spesifik, Ns
Ns =
=
- Kecepatan normal
Jika N1 = kecepatan pada tinggi angkat 20 m
N1 = N
51
= 135
- Keluaran normal.
Jika, P1, = output pada tinggi angkat 20 meter.
P1 = P
= 10.000 = 7.155 kW
Arti dari Kecepatan Spesifik
Kecepatan spesifik sebuah turbin mempunyai arti, bahwa besaran
tersebut tidak tergantung pada dimensi atau ukuran dart turbin yang
sebenamya ataupun turbin spesifik. Hal ini sudah barang tentu
menyebabkan semua turbin yang serupa secara geometris yang bekerja
pada tinggi angkat yang sama dan mempunyai perbadigan kecepatan,
serta aliran yang sama pula, akan mempunyai kecepatan spesifik yang
sama.
Dalam penggunaan praktis, konsep dart kecepatan spesifik memegang
peran yang cukup penting dalam membantu memprediksi unjuk kerja dan
suatu turbin.
Pemilihan turbin.
Adalah suatu pekerjaan teknik yang berat, dan memerlukan pengalaman
yang luas serta kesabaran.Pemilihan turbin secara umum di dasarkan
pada dua hal: yaitu,
1. Pemilihan yang di dasarkan pada kecepatan spesifik, dan
2. Pemilihan yang didasarkan pada tinggi angkat air.
52
Pemilihan berdasarkan kecepatan spesifik adalah suatu metode ilmiah,
dan akan memberikan informasi yang tepat, sedangkan pemilihan
berdasarkan tinggi angkat umumnya didasari hanya oleh pengalaman dan
informasi.
Pemilihan Berdasarkan Kecepatan Spesifik
Kecepatan spesifik turbin harus dihitung lebih dahulu untuk dapat memilih
jenis turbin, Tabel 2 menunjukkan jenis turbin, beserta kecepatan spesifik
masingmasing.
Tabel 2 Kecepatan Spesifik vs Jenis Turbin yang sesuai.
No. Kecepatan Spesifik I Jenis turbin
1. 10 sampai 35 I Turbin petton dengan nose! tunggal
2. 35 sampai 60 1 Turbin petton dengan 2 nosel atau Iebih
3. 60 sampai 300 1 Turbin Francis
4. 300 sampai 1000 1 Turbin Kaplan
Catatan: Untuk dapat memakai tabeldiatas bila soal dalam satuan SI,
disarankan untuk mengubah kecepatan spesifik dalam satuan MKS.
Pilihan Berdasarkan Tinggi Angkat Air
Tabel 3 menunjukkan jenis turbin dan rangkuman tinggi angkat yang
diperlukan.
Tabel 3 Tinggi Angkat vs Jenis Turbin yang sesuai
No. Tinggi angkat dalam m Jenis turbin
1. 0 sampai 25 Kapaln atau Francis (Iebih cocok Kaplan)2. 25 sampai 50 Kapalan atau Francis(Iebih cocok Francis)3. 50 sampai 150 Francis4. 150 sampai 250 Francis atau Pelton (Iebih cocok Francis)5. 250 sampai 300 Francis atau Pelton ( Iebih cocok Pelton)
53
6. Diatas 300 Pelton
Contoh 13
Tentukan jenis turbin yang dapat digunakan pada tinggi angkat 150
meter untuk mengahasilkan daya 2000 hp pada putaran 300 rpm
Tinggi angkat H = 150 m
Daya P = 2000 hp
Kecepatan N = 300 rpm
Jika, N$ = kecepatan spesifik turbin.
Ns =
= = 25, 6 rpm
Karena kecepatan spesifik turbin adalah 25,6 maka dapat dipilih turbin
Pelton dengan nosel tunggal.
Contoh 14
Tentukan kecepatan spesifik dan jenis turbin yang dapat menghasllkan
7000 kilowatt pada head 20 meter pada putaran 100 rpm_ Tentukan
hubungan kecepatan normal dan aliran keluaran yang terjadi pada tinggi
angkat 25 meter.
Penyelesaian: Diketahui,
Daya P =7000 kW
Tinggi angkat H = 20 m
Kecepatan N = 100 rpm
Tinggi angkat yang baru H1 = 25 m
54
Kecepatan spesifik, Ns
Ns =
= = 197,8 rpm
- Jenis turbin
Kecepatan turbin dalam satuan MKS = 0,86 x 197,8 = 170,1 rpm Maka
turbin Francis yang dipilih untuk di pakai.
- Kecepatan Normal
Jika, N1 = keceatan pada tinggi angkat 25 m
N1 = N
= 100 = 111,9 rpm
- Output Normal
Jika, P1 = output pada tinggi angkat 25 m
P1 = P
= 7000 = 9.783 kW
Kecepatan Spesifik dan Bentuk dari Runer Turbin Reaksi
Dan pembahasan terdahulu bahwa kecepatan spesifik turbin adalah:
55
Ns =
Karena untuk suatu pusat pembangkit tenaga, daya yang di hasilkan
sebuah turbin dan tinggi angkat (head) air yang tersedia adalah hampir
konstan, maka kecepatan spesifik akan berbanding lurus dengan
kecepatan runnerturbin.
Demikian pula dari persamaan daya yang dihasilkan turbin
P =
Karena harga W konstan, maka daya yang dihasilkan akan berbanding
lurus baik dengan (keluaran) maupun dengan H (tinggi angkat).
Untuk setiap pembangkit tenaga umumnya tinggi angkat air konstan,
dengan demikiandaya yang dihasilkan oleh turbin pada sebuah
pembangkit tenaga akan berbanding lurus dengan aliran yang keluar yang
terjadi.
Dengan sedikit menyimak akan diketahui bahwa untuk tinggi-angkat yang
rendah untuk menghasilkan tertentu diperlukan aliran yang lebih besar.
Hal ini dapat dicapai dengan penambahan luas permukaan aliran atau
dengan memperbesar kecepatan aliran air. Pada turbin reaksi hal ini
dapat dicapai dengan memperbesar tinggi angkat atau kecepatan
alirannya.
Gambar 22 (a) hingga (d) menunjukkan perubahan bentuk sudu-sudu
runer turbin dari sebuah turbin reaksi aliran kea rah dalam. Dalam gambar
ditunjukkan pula segitiga kecepatan pada sisi masuk.
1. Gambar 22 (a)
56
Menunjukkan kondisi umum dari segititga kecepatan pada sisi masuk
untuk sebuah turbin reaksi dengan putaran rendah. Pada kasus ini cirri-
ciri yang umum adalah:
Ns = 60 – 120 rpm
= 100 – 200
= 600 - 900
Gambar 22 Pengaruh Putaran Spesifik dan Bentuk Sudu Runner Turbin
Reaksi
57
2. Gambar 22 (b)
Pada kasus ini daya yang dihasilkan (P) dan diameter dari runner turbin
(D) adalah sama dengan kasus yang pertama.
Akibat penurunan tinggi angkat air yang ada, maka putaran spesifik turbin
dan aliran keluaran akan bertambah.
Dapat dilihat bahwa:
(i). Penuturan tinggi angakat air yang ada akan mengurangi kecepatan
air (jadi V = 2 gh)
(ii). Kenaikan putaran spesifik akan mempercepat putaran runner turbin
yang akhimya akan memperbesar tangensial roda pada sisi masuk
(jadi 116 0 )
(iii). Kenaikan aliran keluar akan memperbesar kecepatan. Ciri-ciri umum
dari jenis turbin ini adalah:
Ns = 120 — 180 rpm
= 20° - 30°
= 90°
Catatan :
Putaran spesifik turbin dan debit yang dikeluarkan adalah berbanding
terbalik yang angkat air yang ada karena :
N = Dan P = atau Q =
Gambar 22. (c)
Pada Turbin jenis ini, daya yang dihasilkan (P) dan diameter runner (D)
adalah sama dengan jenis yang terdahulu.
58
Bila terjadi penurunan tinggi angkat air, maka kecepatan spesifik turbin
akan bertambah, demikian pula dengan aliran keluamya. Hal ini akan
mengakibatkan
(i). Kecepatan air berkurang.
(ii).Memperbesar kecepatan tangensial roda pada sisi masuk, dan
(iii). Memeperbesar kecepatan aliran.
Perubahan-perubahan yang telah disebutkan di atas selanjutnya
akan mengubah bentuk segitiga kecepatan segi tiga pada sisi masuk.
Untuk jenis ini, Ns = 180 – 240 rpm
= 200 - 450
= 900 - 1200
Gambar .22 (d)
Daya yang dihasilkan (P) dan diameter dari runner (D) dari turbin jenis ini
adalah sama dengan kasus terdahulu. Akibat penurunan dari tinggi
angkat air yang ada, putaran spesifik turbin dan debit yang dikeluarkan
akan bertambah. Kejadian ini akan mengurangi kecepatan air,
meperbesar kecepatan tangensial roda pada sisi masuk, dan meperbesar
kecepatan aliran lebih lanjut. Hal ini akan mengubah bentuk dari segitiga
kecepatan pada sisi masuk.
Untuk jenis ini, Ns = 240 – 300 rpm
= 450 - 600
= 1200 - 1350
Dad teori yang dikemukakan di atas terlihat adanya kecenderungan
menuju ke pengembangan turbin Kaplan.
59
Kurva-kurva Karakterisfik Turbin
Telah dibahas dalam uraian terdahulu tentang jenis turbin impuls dan
turbin reaksi. Sebenarnya sebuah turbin selatu direncanakan dan dibuat
untuk bekerja berdasarkan kondisi-kondisi yang tertentu (atau suatu
daerah kondisi yang terbatas) seperti aliran keluaran tinggi angkat air,
putaran, daya yang dihasilkan, efisiensi dan lain-lain ( pada kecepatan
penuh atau kecepatan satuan).
Akan tetapi untuk turbin yang telah direncanaka juga harus dapat
digunakan pada kondisi-kondisi yang lain, oleh karena itu penting sekali
untuk mengetahui kelakuan turbin secara tepat untuk kondisi-kondisi
yang berlainan. Hal ini dapat dengan mempelajari apa yang disebut
dengan kurva-kurva karakteristik.
Kurva-kurva karakteristik umumnya digambar untuk tinggi angkat yang
tepat atau putaran dari runner turbin yang tepat. Kadang-kadang kurva-
kurva ini digambar juga untuk berbagai bukaan gerbang, yaitu like
terbuka penuh, terbuka tiga per empat, terbuka setengah dan lain-lain.
Walaupun terdapat berbagai cara penyajian karakteristik, tetapi beberapa
yang penting adalah:
Kurva-kurva Karakteristik untuk Roda Pelton.
Kurya-kurya yang telah ditunjukkan dalam gambar 23 , 24 , den 25 dibuat
oleh para insinyur yang bekerja di dalam laboratorium penyelidikan
hidrolika di seluruh dunia. Walaupun terdapat sedikit perbedaan pada
kurva-kurva karakteristik yang digambar oleh mereka, namun banyak
yang telah diterima.
1. Kurva karakteristik untuk tinggi angkat yang tetap.
(a). Ratio kecepatan terhadap presentase effisiensi maksimum.
60
Gambar 23
Gambar 23 menunjukkan persentasi efisiensi maksimumdari sebuah roda
Pelton pada tingi angkat dan keluaran yang tepat. Dapat dilihat pada
dasarnya kurva bentuk parabolic. Jadi efisiensi bertambah dari nol dan
turun bilamelebihi harga maksimumnya yaitu 0,46.
b. Daya terhadap efisiensi.
Gambar 24 Kurva Karakteristik. Daya terhadap efisiensi.
Gambar 24 menunjukkan prsentasi dari sebuah roda Pelton pada tinggi dan
putaran yang tepat. Ditunjukkan bahwa efisiensi bertambah dengan
kenaikan daya.
61
Kurva karakteristik untuk berbagai bukaan.
(a). Putaran terhadap daya
Gambar 25 menunjukkan prestasi dari roda Pelton pada tinggi angkat
yang tetap. Bentuk kurva adalah perabolik yang menunjukkan bahwa daya
yang dihasilkan bertambah. Dengan bertambahnya bukaan sampai suatu
harga tertentu.
Gambar 25 Kurva karakteristik putaran terhadap Daya
(b). Putaran terhadap efisiensi.
Gambar 26 menunjukkan presntasi dari sebuah roda Pelton pada
tinggi angkat
Gambar 26. Kurva karakteristik putaran terhadap efisiensi
62
Kurva-kurva Karakteristik Turbin Francis
Seperti halnya dengan karakteristik roda Pelton, umumnya kurva-
kurva karakteristik untuk turbin Francis (atau setiap turbin reaksi yang
lain) dapat dikelompokan berdasarkan 3 kelompok berikut:
1. Kurva-kurva karakteristik untuk unit kecepatan putaran.
(a). Kecepatan putaran satuan terhadap debit keluar.
Gambar 27 menunjukan prestasi dari sebuah turbin. Yang bentuk
kurvanya adalah parabolik. Ditunjukkan bahwa debit yang dikeluarkan
turun dengan turunnya kecepatan putar.
Gambar 27 Kurva karakteristik satuan kecepatan - debit yang dikeluarkan.
(b) Satuan kecepatan putar terhadap daya
63
Gambar 28. Kurva karakteristik untuk satuan kecepatan putaran terhadap
daya
Gambar 28 menunjukan prestasi turbin reaksi. Bentuk kurva adalah
parabolik yang menunjukan bahwa efisiensi bertambah dengan
bertambahnya kecepatan putaran satuan, dan efisiensi menurun bila
melebihi harga tertentu dari kecepatan putar satuan
Gambar 29. Kurva karakteristik untuk kecepatan putar satuan terhadap
efisiensi
2. Kurva karakteristik untuk putaran dengan tinggi angkat yang bervariasi.
(a). Kecepatan putaran terhadap debit keluaran.
64
Gambar 30 Kurva – kurva karakteristik untuk kecepatan putaran
terhadap debit yang dihasilkan
Gambar 30 menunjukkan prestasi dari turbin Francis (atau setiap turbin
reaksi yang lain) berdasarkan tinggi angkat yang variabel, akan tetapi
dengan debit keluaran yang tetap. Bentuk kurva adalah parabolik yang
menunjukkan bahwa untuk tinggi angkat tertentu debit keluaran
bertambah dengan kecepatan putar, dan debit keluaran berkurang setelah
harga kecepatan putar tertentu.
b) Kecepatan putar terhadap daya
Gambar 31 Kurva - kurva karakteristik untuk kecepatan putar terhadap
65
daya
Gambar 31 menunjukkan prestasi dari sebuah turbin Francis (atau reaksi
yang lain) berdasarkan tinggi angkat yang bervariasi tetapi debit keluaran
tetap. Bentuk kurva adalah parabolik yang menunjukkan bahwa untuk
tinggi angkat yang diberikan daya bertambah dengan kecepatan putar dari
nol dan daya turun bila harga kecepatan putar melebihi suatu harga
tertentu
(c). Kecepatan putaran terhadap efisiensi.
Gambar 32 Kurva-kurva karakteristik untuk kecepatan putar terhadap
efisiensi.
Gambar 32 menunjukkan prestasi sebuah turbin Francis (atau setiap
turbin reaksi yang lain) berdasarkan tinggi angkat yang bervariasi tetapi
debit yang dikeluaran konstan. Nampak kurva berbentuk parabolik yang
menunjukkan bahwa untuk tinggi angkat yang diberikan efisiensi turun
dengan kenaikan kecepatan putar
66
3. Kurva-kurva karakteristik untuk bukaan gerbang yang bervariasi. (a).
Kecepatan putar terhadap daya.
Gambar 33 kurva-kurva karakteristik untuk kecepatan putar daya.
Gambar 33 menunjukkan prestasi sebuah turbin Francis (atau setiap
turbin reaksi yang lain) berdasarkan tinggi angkat yang tetap. Kurva
berbentuk parabolik yang menunjukkan bahwa daya yang dihasilkan
bertambah dengan bertambahnya bukaan gerbang.
67
Gambar 34. Kurva Karakteristik untuk kecepatan putar terhadap efisiensi
Gambar 34 menunjukan prestasi turbin Francis (atau statiap tubin reaksi
yang lain berdasarkan tinggi angkat yang tetap. Bentuk kurva adalah
parabolik yang menunjukkan bahwa efisiensi bertambah dengan
bertambahnya bukaan gerbang.
Kavitasi
Kavitasi secara luas didefinisikan sebagai pembentuk gelembung-
gelembung yang berisi uap dalam aliran cairan. Hal ini telah di teliti
bahwa gelembung-gelembung uap akan timbul bila tekanan pada aliran
turun sampai pada tekanan uap zat cair pada temperatur tersebut akan
dibawa oleh aliran yang bertekanan tinggi.
Pada daerah tersebut uap kondensasi dan gelembung-gelembung
pecah. Ruangan yang sebelumnya terisi oleh gelembung-gelembung
tersebut, di isi oleh cairan yang ada di sekelilingnya.Akibatnya akan
timbul bunyi dan getaran tekanan yang menyebabkan pecahnya
gelembung-gelembung tersebut.
Umumnya berkisar pada 100 kali tekanan atmosfir.
Jika diperhatikan akan diketahui, bahwa jika gelembung-gelembung
uap pecah pada sebuah permukaan, akan menyebabkan terjadinya
pukulan yang berulang-ulang dari cairan sekelilingnya, partikel logam
akan rusak, akibatnya terjadi erosi pada logam. Erosi pada materi
tersebut disebut sebagai pitting. Akibat kavitasi pada mesin hidrolik,
meliputi 3 hal ;
1. Menimbulkan suara yang bising dan timbulnya getaran pada beberapa
bagian mesin.
68
2. Sebagai akibat dari pitting adalah kerugian akibat erosi pada material
dan menyebabkan permukaan menjadi kasar.
3. Akibat adanya gelembung-gelembung akan menimbulkan reduksi
pada pengeluaran (discharge) turbin. Reduksi pada pengeluaran
menyebabkan penurunan secara tiba-tiba pada daya keluar dan
efisiensinya.
Prof. D. Thoma, sete!ah mengadakan serangkaian penelitian
mengemukan factor kavitasi a (sigma).
Untuk menentukan bagian dimana turbin reaksi dapat bekerja tanpa
gangguan kavitasi. Harga kritis faktor tersebut diberikan sebagai berikut:
Arti notasi, Hb = Tekanan barometer, dalam meter air
Hs = Tekanan sisi isap (pemasukan), dalam meter air
Ha = Tekanan atmosfir, dalam meter air
FI, = Tekanan uap dalam meter air, dan
H = Tinggi angkat (head) kerja turbin dalam meter.
Tetapi praktisnya, kavitasi dalam turbin-turbin reaksi dapat dikurangi
dengan jalan:
1. Dengan memasang turbin dibawah batas permukaan terendah.
2. Melengkapi runner bebas kavitasi pada turbin.
3. Mempergunakan runner turbin dengan bahan stainless steel.
4. Memperhalus sudu putar.
5. Mengoperasikan runner turbin pada kecepatan putar yang sesuai
dengan perancangannya.
69
70
P = daya yang diperlukan untuk menggerkkan pompa yang berdiameter
D.= diameter terluar yang baru untuk menyesuaikan perubahan yang
diinginkan , dan
Q1, H,, Pi = besaran-besaran yang berkaitan dengan diameter Di.
Bila diameter impeler diubah dari D ke D1, maka bentuk segitiga
kecepatannya tetap (yaitu sudut-sudut segitiga akan tetap sama), karena
perubahan harga kecepatan kecepatannya akan sebanding.
Kita tahu bahwa kecepatan tangensial impeler,
V =
Atau V - D
Dengan cara yang sama, kecepatan aliran:
Vt - v
D (D- v)
Karena debit keluaran adalah,
Q = DbVf
Maka Q - D.Vt
- D.D (D- Vf)
71
Dan Q D2
Dengan cara yang serupa,
Q1 – D21
= = ................................... (1)
Jadi debit pompa sentrifugal terlihat akan sebanding dengan kwadrat
diameter impeler-nya.
Dan persamaan tinggi angkat air ,
H =
- Vwt . Vt
- D . D
Terlihat bahwa tinggi angkat air sebuah pompa sentrifugal sebanding
denga kwadrat diameter impeler-nya.
Demikian pula dari persamaan daya yang diperlukan untuk
menggerakkan suatu pompa,
Jadi terlihat bahwa daya yang diperlukan untuk menggerkkan sebuah
pompa sentrifugal sebanding denga pangkat empat dari diameter impeler-
nya.
Contoh soal 24
Sebuah pompa sentrifugal dibuat untuk mengalirkan air untuk tinggi
angkat 22,5 m. Kemudian pompa ini diperluakn untuk mengalirkan
sejumlah air yang sama pada tinggi angkat 20 m. Hitung pengurangan
72
diameter impeler yang diperlukan dari diameter semulanya yaitu dari 300
mm tanpa mengurangi putaran impeler-nya.
Penyelesaian:
Diketahui Tinggi angkat semula, H = 22,5 m
Tinggi angkat yang baru, Hi = 20 m
Diameter impeler semula, D = 300 mm= 0,3 m
Misalkan Di = diameter impeler yang baru.
Dengan menggunakn persamaan
Jadi Di = 0,283 m= 283 mm.
Kecepatan Spesifik Pompa Sentrifugal
Kecepatan Spesifik suatu pompa sentrifugal dapat didefinisikan sebagai
kecepatan putar suatu pompa semu (imajiner) yang indentik dengan
pompa yang akan mengeluarkan 1 liter air dengan tinggi angkat 1 meter.
Misalkan Ns = kecepatan spesifik pompa
Di =diameter terluar impeler
N = putaran impeler dalam rpm
v1 = kecepatan tangensial impeler pada sisi luar
H1 = tinggi angkat pompa dalam meter
Telah ditunjukkan bahwa kecepatan tangensial impeler. v H
V -
V =
73
D1 N – N
- …………………….(1)
Jika Q = debit keluaran pompa, dalam m3/detik
b1 = lebar impeler pada sisi luar, dan
Vf1 = kecepatan fluida pada sisi keivar
Maka keluaran pompa,
Q = - D1.b1.Vft
Sedangkan, b1 – D1
Jawab.
Diketahui:
Keluaran, Q = 9000 liter/menit = 150 liter/detik = 0,15 m3/detik.
Tinggi angkat total =: 500 m
Kecepatan pompa, N = 2900 rpm
Kecepatan spesifik, Ns = 60
Jika H = tinggi angkat air per tingkat. Dengan menggunakan persamaan:
Ns = N - 3/4
Diperoleh, Ns = 2900.V- 0,15/H 3/4 =18,72
H = 50 m
Jadi jumlah tingkat, = = 10.
Pemilihan Pompa Sentrifugal berdasarkan Kecepatan Spesifik
Kecepatan spesifik pompa, seperfi halnya pada turbin, dapat membantu
untuk menentukan jenis pompa sentrifugal. Tabel di bawah ini
memberikan jenis-jenis pompa sentrifugal berikut kecepatan spesifiknya.
No Kecepatan Jenis pompa sentrifugal
74
1. 10 + 30 Pompa kecepatan rendah, dengan aliran radial pada
sisi keluar.
2. 30 + 50 Pompa kecepatan sedang, dengan aliran radial pada
sisi keluar.1. 50 + 80 Pompa kecepatan tinggi, dengan aliran radial pada
sisi keluar.2. 80 + 160 Pompa kecepatan finggi, dengan aliran campuran
(mixed flow) pada sisi keluar.3. 160 + 500 Pompa kecepatan tinggi,dengan aliran aksial pada sisi
keluar.4. diatas 500 Pompa kecepatan tinggi.
Contoh Soal 25.
Hitung kecepatan spesifik suatu pompa sentrifugal untuk memenuhi
kebutuhan 750 liter per detik air pada tinggi angkat 15 meter dan putaran
725 rpm.
Jawab:
Diketahui,
Debit keluaran, Q=750 liter/detik = 0,75 m3/detik
Tinggi angkat, H = 15 m
Kecepatan, N = 725 rpm
Jika Ns = kecepatan spesifik pompa,
Dengan menggunakan persamaan,
Ns= N. Q.H 3/4
dapat dihitungNs= 725. 0,75/15 3/4 = 82,4 rpm
Contoh Soal 26.
Suatu pompa sentrifugal beringkat ganda dan diseri diperlukan untuk
mengalirkan air 9000 liter per menit dari suatu pertambangan, tinggi
angkat total termasuk gesekkan 500 meter, jika putaran pompa adalah
2900 rpm, tentukanlah junmlah tingkat minimum yang diperlukan, dengan
75
ketentuan kecepatan spesifik per tingkat tidak kurang dari 60.
Contoh soal 27.
Suatu pompa sentrifugal memompakan air sebanyak 120 liter per detik
dan mengatasi tinggi angkat sebesar 85 meter pada putaran 900 rpm.
Tentukan kecepatan spesifik pompa dan jenis impeler yang harus
dipilih?
Jawab:
Keluaran, Q = 120 liter/detik = 0,12 m3/detik
Tinggi angkat, H = 85 m
Kecepatan, N = 900 rpm
Jika, Ns = kecepatan spesifik pompa.
Dengan menggunakan persamaan,
Ns = N. Q/H ¾
Diperoleh,
Ns = 900. - 0,12/85 3/4 = 11,14 rpm.
Karena kecepatan spesifik diperoleh 11,14 rpm, maka dapat dipilih pompa
sentrifugal dengan kecepatan rendah, jenis aliran radial pada sisi keluar.
TINGGI ANGKAT ISAP (kerugian gesekkan, kavitasi dalam pompa
dan impeler tidak termasuk)
Pada bagian terdahulu telah dibahas mengenai istilah tinggi angkat isap.
Pada kenyataannya tinggi angkat isap adalah suatu hal yang terpenting
untuk kelancaran dan efisiensi kerja dari pompa sentrifugal.
Secara singkat dapat dikemukakan bahwa sebuah pompa (sentrifugal
atau torak) mengangkat air dari suatu rservoar (sumber air) karena
adanya tekanan atmosfir yang bekerja pada permukaan sumber air.
Pompa mengurangi tekanan pada rumah pompa (casing) sehingga
tekanan atmosfir dapat mendorong air ke sisi isap. Karena tekanan
76
pompa tidak boleh Iebih rendah darn tekanan uap fluida, maka
perbedaan tekanan mempunyai batas yaitu tekanan atmosfir dikurangi
tekanan uapnya. Perbedaan tekanan tersebut dipakai untuk mengangkat
air di pipa isap.
Akan ditunjukkan bahwa perbedaan tekanan tersebut harus cukup:
1. Mengangkat air sampai ke tinggian sisi isap (H$).
1. Untuk mengatasi kerugian gesekkan pada pipa isap (Hfs) dan
2. Untuk menghasilkan tinggi angkat akibat kecepatan.
(Vs2 / 2g)
Suatu pompa mengalirkan air dari suatu reservoir jika,
pa = tekanan atmosfir, dalam kg/cm2
pv = tekanan uap, dalam kg/cm2
Ha = tekanan atmosfir, dalam meter
Hv = tekanan uap dalam meter dan
w = berat spesifik cairan,
Yaitu Hs adalah tinggi angkat sisi isap. Dalam keadaan sebenamya,
harga Hs dihindarkan untuk sama dengan hasil yang didapat dari
hubungan diatas, umumnya dibatasi antara 5 - 6 meter saja.
Tekanan Uap
Tekanan uap atau umumnya disebut tekanan jenuh dari suatu cairan
dapat didefinisikan sebagai tekanan yang phase cairan berubah menjadi
uap pada tempratur tersebut. Tekanan uap adalah fungsi dari tempratur.
Makin tinggi tempratur, tekanan uap juga semakin tinggi. Dalam
prakteknya, tekanan pada setiap titik tidak akan lebih kecil dari pada
tekanan uap pada setiap sisem pompa. Gelembung-gelembung uap jika
terbentuk dapat mengakibatkan korosi pada pipa isap dan bagian-bagian
yang lain.
77
Tinggi Angkat Isap Positif Nato (NPSH; Net positif Suction Head)
Untuk menghasilkan debit tertentu maka pompa membutuhkan masukkan
fluida pada sisi isap sejumlah yang sama. Untuk tujuan ini perlu
diperhatikan bahwa tekanan absolute fluida pada sisi isap yang harus
secukupnya melebihi tekanan uap, dan perbedaan yang terjadi harus
mampu mengatasi :
1. Efek masuk atau kerugian gesekkan antara titik pemasukkan
pompa dan impeler, dan
2. Kerugian kejut yang terjadi pada sisi masuk impeler.
Harga ini didefinisikan sebagai Net positive Suction Head (NPSH) yang
tidak lain adalah tekanan absolut.
Pada sisi masuk pompa yang besamya sama dengan tinggi angkat
atrnosfir ditambah tinggi angkat akibat kecepatan, dikurangi tinggi angkat
tekanan uap fluida pada tempratur pemompaan, dan koreksi dengan
ketinggian sumbu pusat pompa bila pompa horisontal atau ketinggian sisi
masuk pada impeler tingkat pertama kedudukan pompa vertikal.
NPSHAv = ± Hs + Ha — + Va2/2g — Hfa (m)
+ Hs = bila kedudukanpompa di bawah ketinggian permukaan air
- Hs = bila kedudukan pompa di atas ketinggian permukaan air.
NPSH yang diperlukan ditentukan oleh pabrik pembuat pompa dan
merupakan fungsi dari kecepatan dan kapasitas pompa.
NPSH yang tersedia menunjukkan tingkat energi dari fluida terhadap
kondisi pada tekanan uap penuh sisi masuk pompa yang sepenuhnya
ditentukan oleh sistem pemompaan. Agar pemasukan dapat beriangsung.
NPSHAV < NSPHRe
78
Jadi sekurang-kurangnya NSPH yang tersedia harus sama dengan NSPH
yang dibutuhkan pada setiap kondisi. Bila ini tidak dipenuhi, sejumlah
fluida akan menguap pada sisi masuk pompa dan gelembung-gelembung
uap akan terbawa masuk ke impeler. Gelembung-gelembung tersebut
mangakibatkan timbulnya getaran yang cukup keras pada suatu tempat
dibagian dan pipa isap (biasanya pada suatu tempat di impeler) dalam
bentuk suara ketukan yang keras dan sering disertai dengan kerusakan
pada logam disekitar tempat tersebut. Gejala ini dikenal sebagai kavitasi
dan umumnya harus di hindari.
Kavitasi Pada Pompa Sentrifugal.
Kavitasi pada pompa sentrifugal terjadi bila pompa bekerja dengan tinggi
angkat sisi isap yang terlalu tinggi atau kondisi lingkungan yang membuat
uap tekanan penuh yang tinggi. Apabila hal ini terjadi akan dapat merusak
impeler.
Kavitasi dapat dihindari dengan cara sbb:
1. Temperatur fluida dibuat serendah mmungkin agar tekanan uap
penuh rendah dan menghasilkan peningkatan NPSH.
2. Kecepatan fluida pada pipa isap diusahakan rendah.
3. Sedapat mungkin dihindari pemakaian belokan tajam pada pipa
isap untuk mengurangi kerugian tinggi angkat.
Pemancingan Pompa Sentrifugal
Telah dibahas bahwa tekanan yang ditimbulkan oleh impeler pompa
sentrifugal adalah sebanding dengan harga densitas dari fluida, jadi jika
impeler beroperasi dengan fluida udara, maka tekanan ang dibangkitkan
sangat keci, untuk dapat mengisap air melalui pipa isap. Untuk
79
menghindari ini pada permuiaan operasi pompa harus dipancing dengan
mengisi air ke dalam impeler.
Untuk melakukan ini dapat ditunjuk prosedur, mula-mula seluruh pipa isap
dan impeler diisi dengan air. Katup keluar ditutup kemudian pompa distart.
Impeler yang berputar akan mendorong air ke dalam pipa keluar, bila ini
telah dilakukan katup kaluar dapat dibuka dan air akan terhisap melalui
pipa isap.
Kurva Karakteristik Pompa Sentrifugal
Pompa sentrifugal seperti halnya turbin dirancang dan dibuat untuk
bekerja pada suatu kondisi tertentu (atau dalam daerah kerja terbatas)
balk dalam debit keluaran, kecepatan, daya yng dibutuhkan, efisiensi rill.
Akan tetapi sering sebelum pompa digunakan pada kondisi yang berbeda
dengan kondisi yang telah dirancangkan. Oleh karena itu, untuk tujuan
tersebut penting untuk mengetahui karakteristik dari pompa pada
berbagai kondisi. Karakteristik itu umumnya disajikan dalam bentuk grafik
dan, dikenal sebagai kurva karakteristik. Terdapat beberapa jenis kurva
karakteristik, beberapa yang terpenting diantaranya:
1. Kurva karakteristik kecapatan, dan
2. Kurva karakteristik keluaran dengan variabel kecepatan.
Gambar 44 Kurva karakteristik kecepatan vs keluaran
80
Gambar 44 menunjukkan prestasi dad pompa sentrifugal pada tinggi
angkat konstan, yang pada dasamya garis lurus, yang menunjukkan
bahwa debit keluaran akan bertambah dengan bertambahnya kecepatan
putar.
Gambar 45
Ganbar 45 menunjukkan prestasi suatu pompa sentrifugal pada kondisi
tinggi angkat dan debit keluaran konstan. Bentuk kurva adalah parabolik
yang menunjukkan bahwa daya bertambah dengan meningkatnya
kecepatan putar.
81
Gambar 46 Kurva karakteristik kecepatan vs head.
Gambar 46 menunjukkan prestasi sebuah pompa sentrifugal pada debit
keluaran konstan. Bentuk kurva adalah parabolic dan menunjukkan
bahwa tinggi angkat akan bertambah dengan kenaikan kecepatan
putaran.
Kurva karakteristik debit keluaran sebagai fungsi kecepatan putar.
Gambar 44 menunjukkan prestasi dan pompa sentrifugal pada tinggi
angkat konstan, yang pada dasamya garis lurus, yang menunjukkan
bahwa debit keluaran akan bertambah dengan bertambahnya kecepatan
putar.
Kurva karakteristik debit keluaran sebagai fungsi kecepatan putar.
Gambar 47 Kurva karakteristik keluaran vs head.
Gambar 47 memperiihatkan prestasi sebuah pampa sentrifugal pada
berbagai kondisi kecepatan putar. Bentuk krva adalah parabolik yang
menunjukkan bahwa untuk suatu haraga putaran tertentu, tinggi angkat
manometrik berkurang dengan bertambahnya keluaran.
82
Gambar 48 Kurva karakteristik keluaran vs daya
Gambar 48 memperlihatkan prestasi sebuah pompa sentrifugal pada
berbagai kecepatan. Bentuknya hamper berupa garis !urus yang
menunjukkan bahwa untuk suatu harga kecepatan putar tertentu, daya
bertambah dengan bertambah besamya debit kaluaran.
Gambar 49 Kurva karakteristik keluaran vs efisiensi.
Gambar 49 memperlihatkan prestasi sebuah pompa sentrifugal pada
berbagai kecepatan putaran. Bentuk kurva adalah parabolic, yang
menunjukkan bahwa untuk suatu harga kecepatan putar, Efisiensi
bertambah dengan meningkatkan debit keluaran. Kemudian setelah
melewati suatu harga debit keluaran tertentu, efisiensi akan menurun.
83
Kegunaan taksiran dalam pemilihan pompa sentrifugal
Pabrik pembuat pompa sring membantu pembeli dalam pemilihan pompa
sentrifugal dengan pertolongan diagram-diagram yang dicantumkan
dalam katalog-katalog. Tedampir disajikan beberapa diagram yang dikutip
dari sebuah catalog pabrik pembuat pompa.
Pemecahan contoh soal berikut ini menunjukkan penggunaan diagram-
diagram tersebut.
Contoh 28
Pilih pompa sentrifugal meliputi Janis impeler, daya, efisiensi dan tinggi
angkat isap, jika pada tinggi angkat 10 meter dan keluaran 50 m3/jam
(13,9 liter/detik), dan pompa akan ditempatkan di suatu lokasi yang
terletak ketinggian 200 meter diatas permukaan taut
Jawab:
Dan gambar karakteristik pompa terlampir diperoleh.
(catatan : titik-titik yang di dapat ditandai dengan 0).
Pompa type : AZ 65 — 200 , 1450 rpm
Impeler type : 620/34
(Catatan : sehubungan dengan batasan kapasitas [keluaran] kita harus
memilih impeler lebih besar yang terdekat, yaitu 620/34).
Daya : 1,9 kW
Efisiensi : n 69 %
Head isap : 8 m
Karena adanya kerugian gesekan, tinggi angkat isap sebuah pompa
sentrifugal pada kondisi berikut
Contoh 29.
84
Analog dengan contoh 28, tentukan spesifik suatu pompa sentrifugal
pada kondisi berikut:
H = 40 m; Q= 108 m3/jam = 30 1/det
Lokasi dimana pompa dipasang adalah 2500 m diatas permukaan !aut.
Jawab:
Dan gambar —ganbar diagram karakteristik pompa terlampir diperoleh,
Jadi, pompa AZ 65-200 , 2900 rpm
Impeler : 620/222 (type yang lebih besar dari pada contoh a).
Daya : 16,5 kW
Efisiensi : n 71 %
Head isap sampai dengan 500 m diatas permukaan laut, adalah 4,8 m.
Koreksi untuk lokasi sampai dengan 2500 di atas permukaan laut:
Tabel bagian bawah,
Jadi, Tekanan amosfir pada 500 m = 97
Tekanan atmosfir pada 2500 = 77 -
Perbedaan = 2
Sehingga, head isap efektif, dengan mengabaikan gesekan
4,8 —2 = 2,8 m.
Penampang melintang sebuah pompa sentrufugal dari catalog pembuat
seperti ditunjukkan dalam gambar terlampir.
85
86
87
Kurva diatasx berlaku untuk = 1,0 pada 10 Engler
Satuan standart dapat dipilih sesuai dengan selera kurva Q/H dapat
digunakan sampai penuh tanpa lebih pada motornya. Kurva diatas
digambarkan untuk kecepatan asinkorn kondisi sebenarnya dari motor
yang bersangkutan.
88
Kurva diatas berlaku untuk y = 1,0 pada 10 Engler
Dipilih satuan standard; kurva Q/H dapat digunakan sampai penuh tanpa
terjadi overload pada motor, Kurva diatas digambarkan untuk kecepatan
asinkorn sebenarnya dari motor ybs.
89
Soal Latihan
1. Hitunglah sudut sudu pada sisi masuk suatu pompa sentrifugal yang
memiliki diameter dalam 300 mm dan diameter luar 600 mm. Sudut
sudu dibengkokan dengan sudut 45° pada sisi keluar, dan aliran masuk
pompa radial, Pompa berputar pada 1.000 rpm dan kecepatan aliran
melalui impeler konstan pada 3 m/detik . Juga tentukan kerja per kg air
dan besar dan sudut kecepatan absolut air ke luar sudu? (Jawab :
10°49'; 28,58 m/det; 6 °2'; 892,9 Nm)
2. Suatu pompa sentrifugal memompakan 7.500 liter per menit air pada
head 25 meter ketika berputar pada 600 rpm. Diameter luar impeler 60
cm, ratio diameter 2. Luas area aliran melalui impeler 600 cm2. Sudu
keluar dibelokkan 45° .Air memasuki impeler dengan arah radial tanpa
ada kejutan . Hitunglah : (a) efisiensi manomerik (b) sudut sudu pada
sisi masuk . (Jawab: 63,44%; 11021').
3. Suati pompa sentrifugal mengalirkan 50 liter air per detik pada tinggi
angkat total 24 meter dan putaran 1500 rpm. Kecepatan aliran konstan
pada 2,4 meter/detik dan sudu keluar dibelokkan sebesar 30° pada sisi
keluar. Diameter impeler pada sisi masuk 1/2 dari diameter pada sisi
keluar. Jika efisiensi manometrik 80%, tentukan : (a) Sudut sudu pada
sisi masuk (b) daya dibutuhkan untuk menggerakkan pompa . (Jawab :
13 ° 55'; 20 hp)
90