Bab 1 Turbin Francis [PDF]

Citation preview

LAPORAN PRAKTIKUM PRESTASI MESIN



DISUSUN OLEH: KELOMPOK 14 1. BANGKIT FARIZKI



(21050115120014)



2. JOKO TRIANTO



(21050115120015)



3. MONICA PRANITA H.



(21050115120018)



4. IGNATIUS APRYANDO M.



(21050115120026)



5. MUHAMMAD RIFQY FADHILLA (21050115120032) 6. FERI ERMAWAN



(21050115120034)



LABORATORIUM THERMOFLUIDA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG



1. LEMBAR PENGESAHAN Laporan Praktikum Prestasi Mesin ini telah disetujui dan disahkan oleh: Hari



:



Tanggal



:



Mengetahui, Kepala Lab. Fenomena Dasar Thermal Departemen Teknik Mesin UNDIP



Syaiful, ST, MT, Ph.D NIP. 197403081999031005



i



2.



KATA PENGANTAR Segala puji syukur hanya kepada Allah SWT atas segala limpahan rahmat dan



karunia-Nya, sehingga penyusunan Laporan Prestasi Mesin dapat terselesaikan. Praktikum yang dilakukan bertujuan untuk mengetahui penerapan teori yang diperoleh di bangku kuliah dengan pengujian mesin-mein dalam bidang konversi energi, antara lain: mesin pendingin, pompa dan turbin. Diharapkan mahasiswa dapat mengaplikasikan prinsip-prinsip ilmu tersebut dalam dunia nyata dan industri nantinya. Dalam pelaksanaan dan penyusunan laporan praktikum ini, kami tidak lepas dari bantuan dan dukungan berbagai pihak. Oleh karena itu, kami mengucapkan banyak terima kasih kepada: 1.



Bapak Sri Nugroho, Ph.D Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Diponegoro.



2.



Bapak Syaiful, ST, MT, Ph.D selaku Kepala Laboratorium Pengujian Mesin Bidang Fenomena Dasar Departemen Teknik Mesin Universitas Diponegoro.



3.



Para Asisten Laboratorium Prestasi Mesin yang telah membantu kami dalam melakukan praktikum. Penulis menyadari bahwa laporan ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh karena



itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi perbaikan dimasa mendatang.



Semarang, 7 November 2018



Penulis



ii



2



1. BAB I PENGUJIAN TURBIN FRANCIS 1.1.1



PENDAHULUAN Turbin air adalah alat utama untuk mengkonversikan energi air menjadi energi



mekanik berbentuk putaran. Turbin ini direncanakan dapat beroperasi dengan baik pada rentang head dan debit yang direncanakan. Turbin harus aman dan mampu beroperasi stabil pada rentang debit yang ada tanpa mengalami getaran berlebih, tidak bising, tahan korosi, tidak patah/ fatigue dan tahan terhadap keausan. Ada banyak tipe turbin air yang dapat digunakan pada Pembangkit Tenaga Air sesuai dengan karakteristik potensi energi hidrolik yang tersedia. Penentuan jenis turbin yang tepat ditentukan dari kriteria Debit dan Ketinggian potensi air. (Taofeq, Anggoro,Arfianto 2013). 1.2



TUJUAN PRAKTIKUM Tujuan praktikum turbin francis adalah sebagai berikut:



1.



Mengetahui cara kerja Turbin Francis.



2.



Mengetahui besarnya efisiensi tertinggi turbin.



3.



Mengetahui daya efektif maksimum turbin.



1.3



DASAR TEORI Dalam suatu sistim PLTA , turbin air merupakan salah satu peralatan utama



selain generator. Turbin air adalah alat untuk mengubah energi air menjadi energi kinetik. Energi kinetik ini kemudian diubah menjadi energi listrik oleh generator. 1.3.1 Jenis Turbin Air Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, namun yang paling utama adalah klasifikasi turbin air berdasarkan cara turbin air tersebut merubah energi air menjadi energi kinetik. Berdasarkan klasifikasi ini, maka turbin air ini dibagi menjadi dua yaitu 1. Turbin impuls dan 2. Turbin reaksi



3



1.3.1.1 Turbin Impuls Yang dimaksud dengan turbin impuls adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air (yang terdiri dari energi potensial ditambah tekanan dan ditambah kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi kinetik. Contoh : turbin pelton. 1.3.1.2 Turbin Reaksi Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi kinetik. Turbin rekasi air reaksi dibagi menjadi dua jenis yaitu : 1. Francis, contoh : turbin Francis 2. Propeller : a. Sudu tetap (fixed blade), turbin jenis ini merupakan turbin generasi pertama dari jenis ini. Karena sudu tidak dapat diatur, maka efisiensinya berkurang jika digunakan pada kisaran debit yang lebar. Oleh karena itu dikembangkan jenis dengan sudu yang dapat diatur agar efisiensi tetap tinggi walaupun kisaran debitnya lebar. b. Sudu dapat diatur (adjustable blade), contoh Kaplan, Nagler, Bulb, Moody 1.4



TURBIN FRANCIS DAN PRINSIP KERJANYA Turbin francis adalah sebuah turbin aliran kedalam yang mempunyai aliran



radial pada sisi masukan maupun pada sisi keluaranya. Jenis turbin ini paling banyak digunakan karena menghasilkan daya tinggi, cocok dioperasikan pada tinggi jatuh air menengah. Semua hubungan untuk menentukan berbagai sudut dan karakteristik lain yang digunakan dalam turbin aliran kedalam, juga dapat diterapkan untuk turbin francis (Suwoto Gatot, 2006) 1.4.1 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. Inlet-nya berbentuk spiral. Guide Vane membawa air secara tangensia menuju runner. Aliran radial ini bekerja pada runner vanes, menyebabkan runner berputar.



4



Guide vane dapat disesuaikan untuk memberikan operasi turbin yang efisien untuk berbagai kondisi aliran air. Air pertama kali memasuki volute, dimana sebuah celah yang berbentuk gelang mengelilingi runner, dan aliran diantara guide vanes, yang memberikan air pada arah aliran yang optimum. Kemudian memasuki runner, yang secara total bergabung, merubah momentum dari air, yang menghasilkan reaksi pada turbin. Air mengalir secara radial menuju pusat. Runner dilengkapi dengan vane berbentuk kurva yang akan ditabrak oleh air. Guide vane dibuat sedemikian rupa sehingga sebagian energi dari air diubah menjadi gerakan berputar yang tidak akan timbul fenomena aliran eddies dan aliran-aliran lain yang tidak diinginkan yang dapat menyebabkan energi yang hilang. Guide vane dapat disesuaikan untuk memberikan derajat adaptabilitas untuk bermacammacam variasi pada kecepatan aliran air dan beban dari turbin (Jobsheet Praktikum Prestasi Mesin, 2017). 1.4.2



Bagian-Bagian Turbin Francis



Gambar 1.1 Bagian-bagian Turbin Francis (Jobsheet Praktikum Prestasi Mesin, 2017). Pada setiap bagian dari turbin francis mempunyai fungsi masing-masing, diantaranya sebagai berikut : a.



Runner blade : berfungsi untuk mengarahkan air yang masuk sehingga aliran air berubah menjadi searah (uniform).



b.



Volute : Cairan masuk dari fluid inlet ke guide vane yang mengelilingi runner, melewati volute terlebih dahulu. Luas penampang casing ini menurun merata sepanjang keliling untuk menjaga kecepatan fluida konstan dalam besar di sepanjang jalan yang menuju guide vane.



5



c.



Guide vanes : fungsi guide vanes atau baling-baling tetap adalah untuk mengkonversi bagian dari energi tekanan fluida di pintu masuk ke energi kinetik dan kemudian untuk mengarahkan cairan pada blade runner.



d.



Poros turbin : berfungsi untuk meneruskan torsi dan putaran ke poros generator.



e.



Fluid inlet : berfungsi untuk masuknya fluida menuju turbin.



f.



Fluid outlet : barfungsi sebagai tempat keluar fluida.



1.5 APLIKASI TURBIN FRANCIS Contoh pemakaian turbin Francis dalam kehidupan sehari-hari adalah turbin francis untuk pembangkit listrik PT. PLN PUSHARLIS UWP VI Surabaya. Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Lamanabi dengan jenis turbin francis ini didesain dan dirancang dengan memperhitungkan tinggi jatuh air sebesar 50 meter dan debit desain sebesar 0.15 m3/s dari aliran air sungai suku bajo dan jenis turbin francis ini memiliki efisiensi turbin sebesar 84%. Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro ini dirancang agar dapat memenuhi kebutuhan listrik minimal Desa Lamanabi sebesar 38.600 VA atau 30,88 kW pada saat beban puncak penggunaan energi listrik. Pemilihan jenis turbin francis ini sendiri didasarkan pada head yang tersedia yakni dengan head sebesar 50 meter, sehingga berdasarkan karakteristiknya ini yang paling sesuai tepat digunakan adalah turbin jenis francis. (Bawono, 2002) 1.6



KARAKTERISTIK TURBIN FRANCIS a) Daya Air Daya yang masuk kedalam turbin francis adalah daya potensial air WHP = ρ.g.Q.H Dimana WHP adalah daya hidrolis air (watt), ρ adalah massa jenis air (kg/m3) g



adalah percepatan gravitasi (m/dt2), Q adalah laju aliran masa (m3/dt) dan H adalah head dari tinggi jatuh air (mH2O). b) Daya keluar turbin Daya yang dikeluarkan oleh turbin adalah daya poros karena tujuan turbin adalah mengubah energi hidrolis menjadi energi mekanis.



6



2.π .n.T BHP = 60 Dimana BHP adalah daya mekanis (watt), n adalah kecepatan putar (rpm) dan T adalah Torsi (Nm). c) Daya Listrik Daya poros pada turbin diubah oleh generator DC menjadi daya listrik. Pel = Vj.Ij Dimana Pel adalah daya listrik efektif, Vj adalah tegangan jangkar (Volt), dan Ij adalah Arus Jangkar (Ampere). d) Efisiensi Turbin ηT = daya mekanik / daya air .100%



BHP ηT = WHP



x 100 %



e) Efisiensi total



P el ηe = WHP x 100 % f) Efisiensi Generator



P el ηG = BHP X 100 % 1.7



PERALATAN PENGUJIAN Pada saat pengujian di Laboratorium Thermofluid, sistem turbin francis yang



digunakan dapat dilihat pada Gambar berikut:



7



1



5



2 6 3



7



8 4 Gambar 1.2 Mesin Uji Turbin Francis Secara Keseluruhan (Laboratorium Termofluida, 2017).



Gambar 1.3 Turbin dan Tuas Pengatur Bukaan (Laboratorium Termofluida, 2017).



8



Gambar 1.4 Bagian – bagian Alat Uji Turbin Francis (Laboratorium Termofluida, 2017). Nama bagian-bagian mesin percobaan : 1.



Saklar pembebanan Berfungsi untuk menghidupkan dan mematikan lampu pembebanan untuk mengatur besarnya pembebanan yang diberikan.



2.



Generator Berfungsi untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.



3.



Sight Glass Berfungsi untuk mengukur ketinggian air terhadap weir.



4.



Pompa



Berfungsi untuk merubah tekanan pada air menjadi kecepatan sehingga menghasilkan aliran air untuk dipindahkan ke atas sehingga menimbulkan 5.



Lampu (beban) Berfungsi sebagai hambatan listrik.



6.



Voltmeter Berfungsi untuk mengukur besarnya tegangan yang dihasilkan oleh generator dengan adanya variasi hambatan berupa lampu listrik.



7.



Amperemeter Berfungsi untuk mengukur besarnya arus yang dihasilkan oleh generator dengan adanya variasi hambatan berupa lampu listrik.



8.



Katup Discharge Pompa. Berfungsi untuk mengatur laju aliran yang akan masuk ke turbin.



9.



Turbin Berfungsi untuk mengubah energi potensial menjadi energi mekanis.



10.



Pengatur bukaan Berfungsi untuk mengatur besar sudut bukaan pada sudu pengarah.



11.



Saklar Motor Berfungsi untuk menghidupkan atau mematikan arus dan tegangan.



12.



Pengatur Kecepatan Motor



9



Berfungsi untuk mengatur Head masukan turbin. 13.



Manometer Inlet Turbin Berfungsi untuk menunjukkan besarnya Head masukan turbin



1.8



PARAMETER PENGUKURAN Beberapa parameter yang digunakan dalam pengujian ini adalah sebagai berikut:



1.8.1 Pengukur Torsi Untuk memberi beban sekaligus mengukur besarnya beban tersebut pada poros turbin digunakan Torsimeter (dynamometer). a.



Menyalakan turbin tanpa beban, lalu melakukan setting nol pada load cell, dengan meletakkan load cell dibawah lengan beban.



b.



Menghidupkan saklar beban pertama, kemudian menyeimbangkan load cell di lengan beban, mencatat besarnya masa di lengan beban.



c.



Nilai yang ditunjukan load cell dalam satuan gram, nilai itu diubah ke kg dengan dibagi 1000. Kemudian mengalikan masa (kg) dengan gravitasi (9,81) didapat gaya pada lengan beban.



d.



Dengan mengalikan gaya dengan jarak r maka akan didapatkan torsi.



1.8.2 Pengukur Tinggi Tekan Pengukuran tinggi tekan untuk peralatan ini terdapat tiga manometer, yaitu untuk mengukur suction head pompa, discharges 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. 1.8.3 Pengukur Debit Pembacaan untuk mengukur besarnya debit yang mengalir pada sistem ini menggunakan “V” notch atau gerbang V. Dengan membaca ketinggian air yang mengalir melalui gerbang dapat dibaca melalui sight glass. Kemudian dengan menggunakan gambar dapat kita ketahui besarnya debit dalam m3/menit. 1.8.4 Pengukur Kecepatan Untuk mengukur besarnya kecepatan tinggal menghubungkan tachometer, dengan memasang sensor tachometer dikabel keluaran pada poros turbin. 1.9



PROSEDUR PENGUJIAN Prosedur pengujian dalam praktikum Turbin Francis adalah sebagai berikut :



10



1.



Menghidupkan saklar utama.



2.



Menghidupkan saklar motor,



3.



mengatur sudu pengarah



4.



Mengatur head masukan



5.



Menyalakan skaklar pembebanan untuk masing-maasing variasi jumlah lampu



6.



Menyetabilkan head masukan turbin



7.



mencatat besarnya tegangan listrik, gaya/pembebanan, tinggi arus reservoir, kuat arus dan putaran mesin.



8.



Melakukan pecatatan untuk variasi head masukan turbin (8, 9, dan 10) 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. Menulis laporan sementara.



1.10



PERHITUNGAN DAN ANALISIS



1.10.1 Data Hasil Praktikum Tabel 3.1 Data bukaan sudu pengarah 100%



11



No



Bukaan



h V mm volt



I F Amp N



1



Lampu 0



71



7,5



0



0,559 1730



57



2



1



74



2 3,9



1,19



0,804 1564



82



3



2



77



6 3,0



2,01



0,911 1676



93



1,98 2,43



0,931 1664 1,068 1668



95 109



.



H Jumla mH 2 O h



8



n m RPM gr



4 5



3 4



77 77



9 3,2 2,3



6



5



77



1 1,7



2,78



0,980 1661



100



74



3 8,1



0



0,578 1897



59



1,31



0,911 1830



93



7



0



8



1



77



1 4,7



9



2



77



7 3,4



2,08



0,951 1803



97



10 11



3 4



78 78



4 2,5 2,4



2,56 2,6



1,039 1822 1,098 1779



106 112



12 13 14



5 0 1



78 74 78



9 1,9 8,6 5,2



2,8 0 1,36



1,186 1818 0,363 2036 0,657 1967



121 37 67



15



2



78



1 3,7



2,17



0,823 1972



84



16



3



79



2 2,7



2,67



0,862 1934



88



79



2 2,1



3,05



0,902 1925



92



80



1 2,1



3,03



0,941 1934



96



17 18



100%



9



10



4 5



2 Tabel 3.2 Data bukaan sudu pengarah 75%



12



No



Bukaan



.



H Jumla mH 2 O h



1 2 3 4



8



5 6 7 8 9 10



75%



12 13 14 15 10



17 18



I F Amp N



Lampu 0 1



67 70



0 1,18



0,617 1608 0,882 1536



63 90



2



72



1,83



1,009 1506



103



3



73



2,11



1,088 1470



111



4



73



2,22



1,068 1501



109



5



73



2,46



1,127 1480



115



0



69



0



0,588 1725



60



1



71



1,21



0,823 1682



84



2



72



1,92



0,921 1640



94



3



73



1,93



1,039 1636



106



4



73



2,33



1,098 1625



112



5



74



2,62



1,176 1613



120



0



68



0



0,559 1893



57



1



72



1,26



0,843 1814



86



2



72



1,95



0,970 1802



99



3



73



2,03



1,127 1808



115



4



74



2,8



1,176 1743



120



5



74



2,88



1,294 1778



132



9



11



16



h V mm volt



6,9 3,9 2,5 6 1,8 5 1,8 4 1,3 7 7,2 8 3,8 2 2,8 9 2,9 2 2,0 4 1,5 3 7,9 4 4,5 8 2,9 5 3,2 4 1,8 1,8 5



n m RPM gr



13



Tabel 3.3 Data bukaan sudu pengarah 50% No



Bukaan



. 1.10.2



H Jumla mH 2 O h



1 2 3 4



8



5 6 7 8 9



h V mm volt



I F Amp N



Lampu 0 1



64 68



0 1,05



0,588 1364 0,813 1280



60 83



2



69



1,62



0,911 1284



93



3



69



1,63



0,892 1290



91



4



69



1,98



0,911 1236



93



5



69



2,16



0,980 1225



100



0



66



0



0,882 1500



90



1



68



1,12



1,039 1420



106



2



69



1,73



1,156 1408



118



3



69



1,72



1,176 1408



120



4



69



2,07



1,215 1377



124



5 0 1



69 68 69



2,35 0 1,19



1,264 1376 0,412 1768 0,823 1628



129 42 84



2



70



1,91



0,843 1577



86



3 4 5



70 70 70



1,89 2,31 2,57



0,882 1583 0,911 1540 1,019 1506



90 93 104



50% 9



10 11 12 13 14 15



10 16 17 18



5,6 2,8 1,8 4 1,7 3 0,9 9 0,5 4 5,7 2,9 1 1,6 2 1,4 8 0,9 2 0,6 6,7 3,7 2,8 6 2,8 2 1,5



n m RPM gr



Analisa Perhitungan Data diambil dari datum no 9, dimana datum no. 9, percobaan pada bukaan 100%, H = 9 mH2O, jumlah lampu = 3, n = 1408 rpm. a.



Debit Aliran (Q)



14



Gambar 3.24 Grafik Kalibrasi Weirs Dari grafik kalibrasi weirs didapat ;



y  7.106  x 



2,2702



Dimana y = Q (m3/menit) dan x = h (mm) Maka untuk h = 69 mm Q  7.106.  69 



2,2702



.



1 60



Q = 0,00174 m3/s b.



Daya Air (WHP)



WHP = ρ.g.Q.H Dimana ρ = 1000 kg/m3 g = 9,81 m/s2 Q = 0,00174 m3/s H = 9 mH2O Sehingga



WHP  1000



kg m m3 .9,81 .0, 00174 .9m m3 s2 s



WHP = 153,962 watt c.



Torsi (T)



T  F .r Dimana F = 1,27 N dan r = 85 mm = 0,085 m maka T = 1,176 x 0,085 = 0,09996 Nm d.



Daya Keluar Turbin (BHP)



2. .n.T BHP = 60 2  3,14 1408  0, 09996 60 =



BHP = 14,7312 watt e.



Daya Listrik (PEL)



15



Pel = Vj.Ij = 1,48 volt . 1,72 A = 2,5456 watt f.



Efisiensi Turbin ηT = daya mekanik / daya air .100% BHP = WHP x 100 %



14, 7312 = 153,962 x 100% = 9,56806 % g.



Efisiensi Generator ηG = daya listrik / daya mekanik .100% Pel = BHP X 100 %



2.5456 = 14,7312 x 100 % = 17,2804 % h.



Efisiensi total ηe = daya listrik / daya air .100%



16