mesin mesin-fluida-turbin-air

MESINMESIN--MESINMESINFLUIDAFLUIDA

TURBIN AIRTURBIN AIR

THS THS Student of Mech. Eng. Dept. Student of Mech. Eng. Dept. Gadjah Mada UnivesityGadjah Mada Univesity

TURBIN AIR

Turbin air mengubah energi kinetikdan potensial dari air menjadi tenagadan potensial dari air menjadi tenagamekanik. Energi kinetik dari air tergantungdari massa dan ketinggian air. Sementaraene gi potensial te gant ng da i j mlah aienergi potensial tergantung dari jumlah airdan ketinggian.

Diklasifikasikan sebagai berikut :a. Jumlah air yang melimpah dan head tinggib Jumlah air yang sedikit dan head tinggib. Jumlah air yang sedikit dan head tinggic. Jumlah air yang melimpah dan head rendahd. Jumlah air sedikit pada head rendah


KLASIFIKASI DARI TURBIN

1. Berdasarkan gerak air pada sudu yang bergeraka. Turbin Impul :

E i t k l h di b h j di iEnergi tekanan seluruhnya diubah menjadi energikinetik, air menumbuk sudu pada tekanan atmosfersehingga tidak ada perubahan tekaanan antara inlet dangg poutlet. Turbin ini juga disebut sebagai “ Velocity Turbine”

b. Turbin reaksi :k b d k k d l dBekerja berdasarkan tekanan pada inlet dan

outlet dari turbin “pressure turbin” energikinetik dan tekanan memutar suduturbin


2. Berdasarkan nama penemu

• Pelton wheel, Turgo, Girard, Banki T. Impuls

• Francis, Kaplan, Thomson T. Reaksi

3. Berdasarkan Head dan jumlah air yang tersedia :

•High head ( >200m ) jumlah air sedikitcontohnya : turbin impuls ( Pelton)

•Medium head ( 30 200m ) jumlah air sedang•Medium head ( 30-200m ), jumlah air sedang ,contohnya : turbin reaksi (Francis)

•Low Head ( <30m ), jumlah air besarcontohnya : turbin reaksi ( Kaplan, turbin propeller )


4. Berdasarkan posisi poros :

ib d k j di d iDibedakan menjadi dua yaitu• mendatar (pelton) dan• vertikal (Kaplan, francis)( p , )

5. Berdasarkan arah aliran dalam runner :

a. Radial flow : air yang mengalir dalam arah radial(inward / outward).

b. Tangensial flow : air mengenai runner dalam arahtangensial contohnya turbin Pelton.

c. Axial flow : air masuk dan keluar runner / porosc. Axial flow : air masuk dan keluar runner / porosturbin.

d. Mixed flow : air masuk radial dan keluar aksial.


6. Kecepatan Spesifik :Kecepatan spesifik ialah dasar untuk menentukanbesaran-besaran selanjutnya. Jadi untuk mendapatkantinggi air jatuh yang maksimum, jumlah sudu rodatinggi air jatuh yang maksimum, jumlah sudu rodaturbin, perbandingan b/D ( lebar roda/Diameter roda ),randemen yang diharapkan, kondisi kerja turbin.Kecepatan spesifik ini sangat penting untukKecepatan spesifik ini sangat penting untukkonstruktor, sebab jika kita mengetahui kecepatanspesifik maka secara garis besar dapat diketahui pulakondisi turbin secara keseluruhan

Turbin air berdasarkan kecepatan spesifiknya :1. 10 – 35 : Turbin Pelton (single jet)1. 10 35 : Turbin Pelton (single jet)

10 – 50 : Turbin Pelton ( double jet)2. 50 – 300 : Turbin Francis3 300 1000 : Turbin Kaplan


3. 300 – 1000 : Turbin Kaplan

TURBIN PELTON

Turbin ini pertama kali ditemukan oleh insinyur dariAmerika yaitu Lester A. Pelton pada tahun 1880.turbin ini dioperasikan pada head sampai 1800 mturbin ini dioperasikan pada head sampai 1800 m,turbin ini relatif membutuhkan jumlah air lebih sedikitdan biasanya porosnya dalam posisi mendatar.

Air mengalir dalam “penstock”( pipa pesat ),sampai ujung bawah masuk nosel ( energikinetic naik ), keluar mengenai sudu-sudu (yang terpasang pada “runner”).Pengaturan jumlah air dapat dengan regulator /governor (untuk instalasi yang besar) ataugovernor (untuk instalasi yang besar) ataudengan tangan /manual (instalasi yang kecil)


Komponen Utama dari pelton

1. Nozzle, Energi tekanan dari airpada reservoir sewaktu melewatipenstock sebagian dirubah menjadipenstock sebagian dirubah menjadienergi kinetik dan energi kinetik inimakin lama meningkat oleh karenanozzle pada tekanan atmosfer padanozzle pada tekanan atmosfer padacasing.

Ketika air menabrak buckets maka dihasilkan energi mekanik. Untukturbin dengan kapasitas yang kecil menggunakan single jet. Dan untukturbin yang memproduksi tenaga besar, jumlah jet harus lebih banyak.


2. Buckets, buckets dari peltonwheel mempunyai bentuk doublehemispherical cup.Pancaran dariair yang datang mengenai bucketbagian tengah yang ada

i h t b i j di dpemisahnya terbagi menjadi duabagian dan setelah meluncur padapemukaan bagian dalam bucketberubah 160 sampai 170 laluberubah 160 sampai 170 lalumeninggalkan bucket.Buckets

Buckets ini terbuat dari cast iron (head rendah), Cast steel atau daristainless steel (head tinggi). Permukaan bagian dalam di poles( gg ) g psedemikian rupa untuk menghindari gesekan yang besar.


3. Casing. Berfungsi untuk menghindari deburan air, serta untukhk i k t il d b i kmengarahkan air ke tail race dan sebagai keamanan.

4. Rem Hidrolik. Untuk menghentikan turbin, walaupun pancaran airtelah berhenti, runner tetap akan berputar untuk waktu yang lama.Untuk menghentikannya diperlukan rem nozzle yang kecil, dimanaarah air dari rem ini berlawanan arah dengan putaran runner.


Kerja oleh Pelton Wheel.V = Kecepatan horizontal jetu = kecepatan dari bucket di inletD = Diameter dari pitch circle

Vr &Vr1 = Kecepatan relative pada inlet dan outletVf1 = Kecepatan sekeliling aliran pada outletV K t t d tl tVw1 = Kecepatan putaran pada outletΦ = Sudut dari bucket pada outlet dengan tangentU1 = Kecepatan sekeliling dari outletU = u karena inlet dan outlet bucket punya jarak yangU1 = u, karena inlet dan outlet bucket punya jarak yang

sama dari pusat porosV1 = Kecepatan Abs. air pada outlet dan membentuk

sudut β dengan wheel tangentsudut β dengan wheel tangent


(1) Inlet velocity diagramKetika air masuk secara tangensial karena itu pada

di k t dit j kk i l ti bdiagram kecepatan ditunjukkan garis lurus seperti gambardiatas. θ = 0 dan β = 0

Vr = V – uV = V = gH2Vw = V =Vf = 0

gH2

(2) Outlet velocity diagramSewaktu air melewati permukaan melengkung dari

bucket, Vr1 <<< Vr mengacu pada kerugian gesek dang p g goleh karena itu Vr1 = kVr, akan tetapi secara umum rugigesek ini diabaikan.

Vr1 = VrDan Vw1 = Vr1 cos Φ - u1

Vw1 = Vr1 cos Φ – u


(3) Kerja yang dilakukanKetika Vwt ialah –ve , maka kerja oleh Pelton wheel

= sec/11 kgguV

guV ww

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

Tetapi u1 = u1

Jadi kerja = ⎭⎬⎫

⎩⎨⎧ −Φ

+g

uuVguV rw )cos(

⎭⎩ gg

= [ ]g

uuuVguV Φ−+

cos)(.gg

guV . ( )

guuuV 2cos −Φ−

= =

= ( ) ( )[ ]Φ−+− cosuVuVgu = ( )( )Φ+− cos1uV

gu


(4) Eff. Hidrolik η

/DW= sec/..

sec/..darijetEKDW

ηh =( )( )

V

uVgu cos1

2

Φ+−=

( )( )2

cos12V

uVu Φ+−

gV2

V

Untuk mencari kondisi maksimum ηh diturunkan terhadap u = nolη p

dudη ( )( ) 0cos12

2

2

=⎭⎬⎫

⎩⎨⎧ Φ+−

VuVu

dud

=

( )( )2

cos122V

uV Φ+−= 0


V = 2u

(5) Effisiensi Maximum.

( )( )122 Φ+( )( )24

cos122u

uuu Φ+−=

= ( )Φ+ cos121

Effisiensi maximum = 100% atau 1 ketika Φ = 0˚, akan tetapikenyataan tidak mungkin tercapai untuk mencapai Φ = 0˚.Effisiensi maximum berkisar 90% 95%Effisiensi maximum berkisar 90% - 95%


Jumlah bucket dari Pelton Wheel

Z = Jumlah BucketR = Mean radius dari bucketγ = Sudut antaraγ Sudut antara

2 bucketd = Dia. dari jetDepth dari bucket = 1,2 d

Ketika posisi bucket seperti gambar,bucket 2 telah mencapai posisi P dan

d h l l h b k dyang terdahulu ialah bucket 1 pada Qdiatas P, bagian air mengenai bagiankanan bucket 2 kemudian menumbukbucket 1bucket 1.

ketika kecepatan dari jet mencapai 2 kali kecepatan dari bucket, maka posisi P akan berubah ke S dan pada waktu yang sama bucket Q berubah ke posisi


S

Mengacu pada ΔOPQ

1OP =21

+B depth of bucket =R + 0,6 d

OQ =21

+R dia of jet = R + 0,5 d2

Cos γ = dRdR

6,05,0

++

….1,

Dari persamaan 1 sudut dari γ dapat ditentukan dan jumlah dari bucket,

360Z =

γZ =

Hubungan empiris untuk jumlah bucket

⎞⎛ DZ = 155,0 +⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

dD

D

Z = dD4,5


dimanad

ialah jet rasio

Working Proporsion

(1) k t k lili d i h l(1) kecepatan sekeliling dari wheel,

gH244,0 gH246,0u = to

rasio gHu

2 sebagai rasio kecepatan = 0,44 – 0,46

(2) Sudut bagian ujung dari bucket Φ =10˚ sampai 20˚

(3) Rasio D/d ialah jet rasio ( 11 sampai 18)

(4) Lebar dari bucket = 3d sampai 5d

(5) Kedalaman bucket = 1,2 d⎞⎛ D

(6) Jumlah dari bucket, Z = 155,0 +⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

dD


Effisiensi dari Pelton Wheel

(a) Effisiensi hidrolis

VV2

21

2−

ηH =Hg2

ialah hidrolis input nosel. Jika CV = 1 maka H =V2

2

g2

dapat juga ηH =

( )75/

2

21

2

WHgVVW −

75WH

catatan : input turbin⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

− uVuVVV ww 112

12

2 ⎟⎠

⎜⎝ ggg2


(b) effisiensi mekanik

ηmech = kerja poros / kerja oleh wheel

= S.H.P atau B.H.P / H.P dari wheel /

= ( )75

..11uVuV

gW

PHBww −

75g

(c) effisiensi keseluruhan ηO = ηH X ηmech


Tipe lain dari turbin impuls

(a) Turbin JonvalMerupakan turbin dengan aliran aksial. Terdiri dari 1 buah horizontal

ring moving blade. Air diarahkan oleh ring ini. Arah aliran air dikontrololeh horizontal sluice.

Turbin Jonval


(b) Turbin GirardMempunyai 2 tipe : (i) aksila

fl (ii) di l fl Di k t k h dflow (ii) radial flow. Digunakan untuk head500 m dan mempunyai effisiensikeseluruhan 75%. Turbin ini mirip denganturbin jonvalturbin jonval.

Turbin Girard

(c) Turbin TurgoDipergunakan untuk head 280 m dan

kecepatan 2000 r p m Pada turbin tipe inikecepatan 2000 r.p.m . Pada turbin tipe iniair disuplai ke runner melalui nosel. Turbintipe ini mempunya runner dengan diameterkecilkecil.


Turbin Turgo

d) Turbin BankiM k t bi d li di l S ti d bMerupakan turbin dengan aliran radial. Seperti pada gambar

air datang dari nosel N, kemudian menumbuk sudu A dan setelahmelakukan kerja, kemudian menabrak sudu B, lalu meninggalkan turbin.Turbin ini mempunyai tingkat effisiensi 80 90 %Turbin ini mempunyai tingkat effisiensi 80 – 90 %

Turbin Banki


mesin mesin-fluida-turbin-air

Documents