View
224
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
7/25/2019 v7009 Pengujian Unjuk Kerja Turbin Crossflow Skala Laboratorium Dengan Jumlah Sudu 28
1/14
PENGUJIAN UNJUK KERJA TURBIN CROSSFLOW
SKALA LABORATORIUM DENGAN
JUMLAH SUDU 28
Juprianto sinaga *) , Ir. Husin Ibrahim Lubis, MT
Jurusan Teknik MesinSekolah Tinggi Teknik Harapan
2015*) E-mail :juprianto.sinaga@yahoo.com
ABSTRAK
Turbin Crossflow terdiri dari nosel yang mempunyai penampang berbentuk persegi panjang dengan lengkungan
pada bagian penutup atasnya yang berfungsi mengarahkan aliran ke sudu pada runner, sehingga terjadi konversi
energi kinetik menjadi energi mekanis. Pengujian ini bertujuan untuk menganalisa unjuk kerja turbin Crossflow
skala laboratorium dengan jumlah sudu 28 pada runner. Langkah yang dilakukan dalam penelitian ini adalah
melakukan pengujian untuk mengetahui karakteristik turbin. Turbin yang diuji mempunyai debit air dan tekanan
yang konstan (1100 liter/menit dan 0,25 bar). Dari hasil perhitungan diperoleh torsi (T) maksimum 8,2 Nm, daya
turbin (PT) maksimum 132,1 Watt dan efisiensi turbin (T) maksimum 31 % pada pembebanan yang sama 10 kg
(F = 98,1 N).
Kata kunci : Turbin Crossflow, sudu, Efisiensi Turbin.
ABSTRACT
Crossflow turbine consists of a nozzle that has a rectangular cross section with an arch on the cover of it that
serves to direct the flow to the runner blades, resulting in the conversion of kinetic energy into mechanicalenergy. This test aims to analyze the performance of the turbines Crossflow laboratory scale with the number 28
on the runner blade. The first step in this research is doing a testing to determine the characteristics of the
turbine. Turbines that have tested the water flow and pressure constant (1100 liters / minute and 0.25 bar).From the calculation of torque (T) maximum 8.2 Nm, the power turbine (PT) maximum of 132.1 Watts and
turbine efficiency (T) a maximum of 31% at the same loading of 10 kg (F = 98.1 N)
Keywords : Crossflow turbine, blade, turbine efficiency.
1. PENDAHULUAN
Latar Belakang
Saat ini turbin crossflow banyakmendapat perhatian karena dapat
diaplikasikan pada rentang aliran dan head
yang lebih luas. Karakteristik tersebut
membuat turbin crossflowbanyak digunakanpada pembangkit listrik tenaga air skala
kecil. Selain itu turbin crossflow juga
mempunyai konstruksi yang sederhana dan
ekonomis. Penggunaan turbin ini untuk daya
yang sama dapat menghemat biaya
pembuatan penggerak mula sampai 50 %dari penggunaan kincir air dengan bahan
yang sama. Penghematan ini dapat dicapai
karena ukuran turbin crossflow lebih kecildan lebih kompak dibanding kincir air.
Diameter kincir air yakni roda jalan atau
runnernya biasanya 2 meter ke atas, tetapi
diameter turbincrossflowdapat dibuat hanya20 cm saja sehingga bahan-bahan yang
dibutuhkan jauh lebih sedikit, itulahsebabnya bisa lebih murah. Demikian juga
daya guna atau efisiensi rata-rata turbin ini
lebih tinggi dari pada daya guna kincir air.
Haimerl, L.A [1] dari hasil pengujianlaboratorium yang dilakukan oleh pabrik
turbin Ossberger Jerman Barat yang
menyimpulkan bahwa daya guna kincir air
dari jenis yang paling unggul sekalipun
hanya mencapai 70 % sedangkan effisiensi
turbin Crossflow mencapai 82 %. Hal inijelas bahwa turbin crossflow mempunyai
tempat yang berbeda untuk turbin ukuran
kecil.Sejak munculnya turbin crossflow,
banyak kemajuan telah dibuat melalui
penelitian melalui metode percobaan
7/25/2019 v7009 Pengujian Unjuk Kerja Turbin Crossflow Skala Laboratorium Dengan Jumlah Sudu 28
2/14
laboratorium terutama pada parameter
desain turbin seperti sudut datang, jumlah
sudu, rasio diameter runner, lebar Runner,
dan lebar nosel.Mackmore dan Merryfield [2]
melakukan studi laboratorium yang
bertujuan untuk menunjukkan serangkaian
hasil pengujian turbin crossflowyang dibuat
berdasarkan spesifikasi seperti yang
diusulkan oleh Prof. Banki yaitu dengan
sudut datang (1) 160. Secara teoritis
diperoleh jumlah sudu 18, tetapi dalam
desain pembuatan model mereka
menggunakan 20 sudu untuk pengujian
kinerja turbin. Mackmore dan Merryfield
memperoleh efisiensi 68%. Mereka padakesimpulannya juga mengatakan, sedikitperubahan pada parameter desain dapat
meningkatkan efisiensi yaitu dengan
melakukan eksperimen pada jumlah sudu
yang berbeda.
Studi eksperimental pada jumlah
sudu pertama kali dilakukan oleh
Khosrowpanah et al. [3] dengan jumlah sudu10, 15, dan 20 sudu. Mereka menyimpulkan,
runnerdengan jumlah sudu 15 lebih efisien
dibandingkan dengan runnerdengan jumlah
sudu 10 dan 20. Efisiensi maksimum yang
diperoleh 80%.Desai dan Aziz [4] dalam
percobaan mereka, melakukan penyelidikan
pada jumlah sudu 15, 20, 25, dan 30.Efisiensi tertinggi yaitu 88%, diperoleh
pada runner dengan 30 sudu. Sulit untuk
menyimpulkan bahwa ini adalah jumlah
maksimum sudu untuk efisiensi maksimum,
karena runner dengan 30 sudu adalah
percobaan terakhir.
Secara khusus, Totapally dan Aziz
[5] melakukan perbaikan dengan jumlah
sudu 25, 30, 35, dan 40. Dari hasil
penyelidikan ditemukan efisiensi meningkatdengan meningkatnya jumlah sudu,
sekaligus menunjukkan jumlah optimal
sudu. Efisiensi maksimum yaitu 92%,
diperoleh pada pada runner dengan 35 sudu.
Olgun [6] dengan sudut datang 160
dan jumlah sudu 28 memperoleh efisiensi
72%. Kaunda et al. [7] dengan sudut datang
yang sama dan jumlah sudu 24 pada turbin
corssflow sederhana memperoleh efisiensi
79%. Sammartano et al. [8] dengan sudut
datang 220dan jumlah sudu 35 memperoleh
efisiensi 86%.
Berdasarkan penelitian yang telah
dilakukan sebelumnya di atas, maka perlu
dilakukan pengujian terhadap turbin
Crossflow dengan jumlah sudu 28 gunamemperoleh unjuk kerja turbin tersebut.
Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang di atas
maka perumusan masalah dalam penelitian
ini adalah bagaimana unjuk kerja turbinCrossflow dengan jumlah sudu 28 jika
diberikan variasi beban pengereman?
Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini, secara
eksperimental guna untuk memperoleh :
1.
Daya turbin maksimum.2. Efisiensi turbin maksimum.
3. Karakteristik turbin Crossflow.
Manfaat Penelitian
Adapun manfaat dari penelitian ini
adalah :
1. Menghasilkan informasi ilmiah
dalam pengujian unjuk kerja turbin
Crossflow dengan variasi
pembebanan terhadap putaran, torsi,daya turbin, dan efisiensi turbin.
2. Sebagai pengembangan ilmu
pengetahuan dan teknologikhususnya bidang konversi energi
dan energi berkelanjutan.
3. Mahasiswa lainnya yang ingin
mengembangkan hasil penelitian ini
serta dapat dijadikan sebagai
pembanding dalam pembahasan
pada topik yang sama.
2. TINJAUAN PUSTAKA
Pengertian Dasar Tentang Turbin Air
Kata "turbine" ditemukan oleh
seorang insinyur Perancis yang bernama
Claude Bourdin pada awal abad 19, yangdiambil dari terjemahan bahasa Latin darikata "whirling" (putaran) atau "vortex"
(pusaran air). Turbin air ini biasanya
digunakan untuk tenaga industri untuk
jaringan listrik. Sekarang lebih umum
dipakai untuk generator listrik. Turbin kini
dimanfaatkan secara luas dan merupakan
sumber energi yang dapat diperbaharukan.
Dalam pembangkit listrik tenaga air (PLTA)
turbin air merupakan peralatan utama selain
generator.
Turbin adalah sebuah mesin
berputar yang mengambil energi dari aliran
7/25/2019 v7009 Pengujian Unjuk Kerja Turbin Crossflow Skala Laboratorium Dengan Jumlah Sudu 28
3/14
fluida. Turbin sederhana memiliki satu
bagian yang bergerak, "asembli rotor-
blade". Fluida yang bergerak menjadikanbaling-baling berputar dan menghasilkan
energi untuk menggerakkan rotor. Contoh
turbin awal adalah kincir angin dan roda air.
Perkembangan kincir air menjadi turbin
modern membutuhkan jangka waktu yang
cukup lama. Perkembangan yang dilakukandalam waktu revolusi industri menggunakan
metode dan prinsip ilmiah. Mereka juga
mengembangkan teknologi material dan
metode produksi baru pada saat itu.
Perbedaan dasar antara turbin air
awal dengan kincir air adalah komponen
putaran air yang memberikan energi padaporos yang berputar.Komponen tambahan
ini memungkinkan turbin dapat memberikan
daya yang lebih besar dengan
komponenyang lebih kecil.Turbin dapat
memanfaatkan air dengan putaran
lebih cepat dan dapat memanfaatkan head
yang lebih tinggi.
Bagian-bagian Umum Turbin Air
Gambar berikut memperlihatkan
bagian-bagian umum dari turbin. Untuk
semua jenis turbin mempunyai bagian yang
tidak jauh berbeda dari turbin lainnya.
Gambar Bagian-bagian Turbin
Bagian-bagian turbin tersebut antara lain :
a. R
otor yaitu bagian yang berputar pada
sistem yang terdiri dari :
- S
udu-sudu berfungsi untukmenerima beban pancaran yang
disemprotkanoleh nozzle.
- P
oros berfungsi untuk meneruskan
aliran tenaga yang berupa gerak
putar yang dihasilkan oleh sudu.
-antalan berfungsi sebagai perapat-
perapat komponen-komponen
dengan tujuan agar tidak
mengalami kebocoran pada
sistem.
b.tator yaitu bagian yang diam pada
sistem yang terdiri dari :
-
ipa pengarah/nozzle berfungsi
untuk meneruskan alira fluida
sehinggatekanan dan kecepatanalir fluida yang digunakan di
dalam sistem besar.
-
umah turbin berfungsi sebagai
rumah kedudukan komponen
komponen dari turbin.
-
Klasifikasi Turbin Air
Dengan kemajuan ilmu Mekanika
fluida dan Hidrolika serta memperhatikan
sumber energi air yang cukup banyaktersedia di pedesaan akhirnya timbullah
perencanaan-perencanaan turbin yang
divariasikan terhadap tinggi jatuh ( head )dan debit air yang tersedia. Dari itu maka
masalah turbin air menjadi masalah yang
menarik dan menjadi objek penelitian untukmencari sistim, bentuk dan ukuran yang
tepat dalam usaha mendapatkan effisiensi
turbin yang maksimum.
Pada uraian berikut akan dijelaskan
pengklasifikasian turbin air berdasarkan
beberapa kriteria.1. Berdasarkan Model Aliran Air Masuk
Runner.
Berdasaran model aliran air masuk
runner,maka turbin air dapat dibagi menjaditiga tipe yaitu :
A. Turbin Aliran Tangensial
Pada kelompok turbin ini posisi air
masuk runner dengan arah tangensial atau
tegak lurus dengan poros runner
mengakibatkan runner berputar (gambar
berikut), contohnya Turbin Pelton danTurbin Crossflow
7/25/2019 v7009 Pengujian Unjuk Kerja Turbin Crossflow Skala Laboratorium Dengan Jumlah Sudu 28
4/14
Gambar Turbin Aliran Tangensial
(Sumber : Haimerl, L.A., 1960)
B. Turbin Aliran Aksial
Pada turbin ini air masuk runnerdan keluar runner sejajar dengan poros
runner(gambar berikut), Turbin Kaplanatau
Propeller adalah salah satu contoh dari tipeturbin ini.
Gambar Model Turbin Aliran Aksial
(Sumber : Haimerl, L.A., 1960)
C. Turbin Aliran Aksial-Radial
Pada turbin ini air masuk ke
dalam runner secara radial dan keluar
runner secara aksial sejajar dengan poros
(gambar berikut), Turbin Francis adalah
termasuk dari jenis turbin ini.
Gambar Model Turbin Aliran Aksial- Radial
(Sumber : Haimerl, L.A., 196`0)
2. Berdasarkan Perubahan Momentum
Fluida Kerjanya.
Dalam hal ini turbin air dapatdibagi atas dua tipe yaitu :
A.
Turbin Reaksi.
B. Turbin Impuls.
A. Turbin Reaksi
Turbin reaksi adalah turbin yangmemanfaatkan energi potensial untuk
menghasilkan energi gerak. Sudu pada
turbin reaksi mempunyai profil khusus yang
mebabkan terjadinya penurunan tekanan air
selama memalui sudu. Perbadaan tekanan ini
memberikan gaya pada sudu sehinngarunner (bagian turbin yang berputar) dapat
berputar. Turbin yang bekerja pada
berdasarkan prinsip ini dikelompokkan
sebagai turbin reaksi. Runner turbin reaksi
sepenuhnya tercelup dalam air dan berada
dalam rumah turbin.Adapun jenis-jenis dari turbin reaksi antara
lain:
c. Turbin Francis
Turbin francis merupakan salah
satu turbin reaksi. Turbin dipasang
diantara sumber air tekanan tinggi di
bagian masuk dan air bertekanan rendah
di bagian keluar. Turbin Francis
menggunakan sudu pengarah. Sudu
pengarah mengarahkan air masuk secara
tangensial. Sudu pengarah pada turbinFrancis merupakan suatu sudu pengarah
yang tetap ataupun sudu pengarah yang
dapat diatur sudutnya. Untukpenggunaan pada berbagai kondisi aliran
air penggunaan sudu pengarah yang
dapat diatur merupakan pilihan yangtepat.
Gambar berikut memperlihatkan
sketsa dari turbin Francis yang
mempunyai bagian-bagian utama antara
lain sudu pengarah, casing spiral, Guide
vanes, sudu runner, draft-tube.
Gambar Sketsa turbin Francis
b. Turbin Kaplan.Tidak berbeda dengan turbin
francis, turbin kaplan cara kerjanya
menggunakan prinsip reaksi. Turbin ini
mempunyai roda jalan yang miripdengan baling-baling pesawat terbang.
7/25/2019 v7009 Pengujian Unjuk Kerja Turbin Crossflow Skala Laboratorium Dengan Jumlah Sudu 28
5/14
Bila baling-baling pesawat terbang
berfungsi untuk menghasilkan gaya
dorong, roda jalan pada kaplan berfungsiuntuk mendapatkan gaya F yaitu gaya
putar yang dapat menghasilkan torsi pada
poros turbin. Berbeda dengan roda jalan
pada francis, sudu-sudu pada roda jalan
kaplan dapat diputar posisinya untuk
menyesuaikan kondisi beban turbin.Turbin kaplan banyak dipakai
pada instalasi pembangkit listrik tenaga
air sungai, karena turbin ini mempunyai
kelebihan dapat menyesuaikan head
yang berubah-ubah sepanjang tahun.
Turbin Kaplan dapat beroperasi padakecepatan tinggi sehingga ukuran roda
turbin lebih kecil dan dapat dikopel
langsung dengan generator.
Pada kondisi pada beban tidak
penuh turbin kaplan mempunyai efisiensi
paling tinggi, hal ini dikarenakan sudu-
sudu turbin kaplan dapat diatur
menyesuaikan dengan beban yang ada.
Komponen Utama Turbin
Kaplan diperlihatkan pada gambar 2.6,
komponen tersebut antara lain rumahspiral, pipa pelepas air, turbin: katup
pemandu,
runner,poros menghubungkan turbin dengangenerator , bantalan poros, kedudukan poros
Gambar Turbin Kaplan
B. Turbin ImpulsTurbin Impuls adalah turbin yang
memanfaatkan energi potensial air diubah
menjadi energi kinetik dengan nozel. Air
keluar nozel yang mempunyai kecepatan
tinggi membentur sudu turbin. Setelah
membentur sudu arah kecepatan aliranberubah sehingga terjadi perubahan
momentum (impuls). Akibatnya roda turbin
akan berputar. Turbin impuls memiliki
tekanan yang sama karena aliran air yang
keluar dari nosel tekanannya sama dengantekanan atmosfir sekitarnya. Energi
potensial yang masuk ke nosel akan dirubah
menjadi energi kecepatan (kinetik).
Adapun jenis-jenis dari turbin impuls antaralain:
1. Turbin Pelton
Turbin Pelton adalah salah satu
dari jenis turbin air yang paling efisien.
Hal ini ditemukan oleh Lester Pelto
Allan pada 1870-an. Turbin Peltonadalah turbin yang lebih disukai untuk
hidro-listrik, ketika sumber air yang
tersedia mempunyai head yang relatif
tinggi pada tingkat aliran rendah. Roda
Pelton dapat dibuat dalam semua ukuran.
Unit terbesar bisa sampai 200 MW. RodaPelton yang kecil, dapat digunakan untuk
menyadap kekuatan dari sungai gunung
yang mengalir seperti saluran irigasi.
Unit-unit kecil ini dianjurkan digunakan
untuk head 30 m atau lebih, untuk
menghasilkan tingkat daya yang
signifikan. Tergantung pada aliran air
dan desain, roda Pelton terbaik
beroperasi dengan head dari 15 meter
sampai 1.800 meter, meskipun tidak ada
batas teoretis.Turbin Pelton terdiri dari satu
set sudu jalan yang diputar oleh pancaran
airyang disemprotkan dari satu atau lebihalat yangdisebut nosel. Bentuk sudu
turbin terdiri dari dua bagian yang
simetris. Sudu dibentuk sedemikiansehingga pancaran air akan mengenai
tengah-tengah sudu dan pancaran air
tersebut akan berbelok ke kedua arah
sehinga bisa membalikkan pancaran air
dengan baik dan membebaskan sudu dari
gaya-gaya samping sehingga terjadikonversi energi kinetik menjadi energi
mekanis.
Gambar berikut memperlihatkan
skema aliran masuk pada turbin Pelton,dimana air bertekanan tinggi keluar
melalui nosel yang mempunyai diameter
d dan melintasi sudu-sudu pada runner
yang berdiameterD.
7/25/2019 v7009 Pengujian Unjuk Kerja Turbin Crossflow Skala Laboratorium Dengan Jumlah Sudu 28
6/14
Gambar Aliran masuk pada turbin Pelton
2. Turbin TurgoTurbin Turgo adalah sebuah
turbin air jenis impuls yang dirancang
untuk headsedang diantara turbin Pelton
dan Francis, yang beroperasi pada head
30 m s/d 300 m. Jenis turbin ini
dikembangkan pertama kali pada tahun1919 oleh Gilkes sebagai modifikasi
jenis Pelton. Turbin Turgo mempunyai
beberapa keunggulan dibandingkan
dengan jenis Francis dan Pelton untuk
aplikasi tertentu, diantaranya adalah :
-pembuatan runner lebih mudahdibangdingkan dengan jenis
pelton
- tidak memerlukan rumah turbin
yang kedap suara seperti turbin
francis
- memiliki kecepatan spesifik yang
lebih tinggi dan dapat menangani
aliaran air yang lebih besar
dibandingkan dengan turbin
pelton pada diameter yang sama.
Turbin Turgo dalampengoperasiannya dapat mencapai
efisiensi sekitar 87%. Dalam tes pabrik
dan laboratorium Turbin Turgo tampildengan efisiensi hingga 90%. Bentuk
runner Turgo terlihat seperti runner
Pelton yang terbelah dua. Untukkekuatan yang sama, runner Turgo
adalah setengah diameter runner Pelton,
dan dua kali kecepatan tertentu. Turgo
dapat menangani aliran air yang lebih
besar dari Pelton karena keluaran air
tidak mengganggu sudu yang berdekatan.Komponen dari turbin Turgo
diperlihatkan pada gambar berikut yang
mempunyai komponen utama antara lain
generator, nozzle inlet, dan runner.
Gambar Komponen turbin Turgo
Pemilihan Jenis Turbin
Seleksi awal dari pemilihan jenisturbin yang sesuai dengan
pengaplikasiannya untuk masing-masing
karakteristik turbin air dapat dilakukan
dengan dua cara, yaitu berdasarkan net head
(m) VS flow (m/s), dan berdasarkan
Kecepatan Spesifik (Ns) .1. Berdasarkan net headdanflow
Untuk seleksi awal pemilihan jenis
turbin berdasarkan ketersediaan debit air dan
tinggi air jatuh diperlihatkan pada gambar
berikut.
Gambar Pemilihan jenis turbin net head vs
flow.
Dapat dilihat pada gambar di atas
turbin kaplan adalah turbin yang beroperasi
pada head yang rendah dengan kapasitas
aliran yang tinggi atau bahkan beroperasi
pada kapasitas yang sangat rendah. Hal ini
karena sudu-sudu turbin kaplan dapat diatur
secara manual atau otomatis untuk merespon
perubahan kapasitas.
Berkebalikan dengan turbin kaplan,
turbin pelton adalah turbin yang beroperasi
pada head yang tinggi dengan kapasitas yang
rendah. Untuk turbin francis mempunyai
karakteristik yang berbeda dengan yang
lainnya yaitu turbin francis dapat beroperasi
pada headyang rendah atau beroperasi pada
headyang tinggi.
Pemilihan turbin kebanyakandidasarkan pada head air yang didapatkan
dan kurang lebih pada rata-rata alirannya.
Umumnya, turbin impuls untuk tempat
dengan head tinggi, danturbin reaksi
digunakan untuk tempat dengan head
rendah. Turbin Kaplan baik digunakan untuk
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5e/Turgo_turbine.png7/25/2019 v7009 Pengujian Unjuk Kerja Turbin Crossflow Skala Laboratorium Dengan Jumlah Sudu 28
7/14
semua jenis debit dan head, efisiensinya
baik dalam segala aliran.
Aplikasi penggunaan turbinberdasarkan tinggi head yang didapatkan
adalah sebagai berikut ini:
1. Turbin Kaplan
: 2 < H < 100
meter
2. Turbin Francis : 5 < H < 500
meter
3. Turbin Pelton
: H < 30 meter
4. Turbin Banki
: 2 < H < 200meter
2.
Berdasarkan Kecepatan Spesifik (NS)
Seleksi awal dari jenis turbin yang
cocok untuk suatu kecepatan paling tepat
dilakukan degan menggunakan kecepatan
spesifik (Ns). Kecepatan spesifik dipakai
sebagai tanda batasan untuk membedakan
tipe roda turbin dan dipaki sebagai suatu
besaran yang penting dalam merencanakan
(desain) turbin air. Persamaan untuk
kecepatan spesifik yang didapat dariperimbangan, perbandingan dan penyesuaian
perhitungan yang ada secara panjang lebar
yang seharusnya ada penurunannya, digantidengan penggunaannya di dalam contoh
perhitungan perhitungan dengan persamaan :
dimana :Ns = kecepatan spesifik turbin
(rpm)n = kecepatan putar turbin yang
ditentukan (rpm)
Q = kapasitas air (m3/s)
H = tinggi air jatuh (m)Bila disebutkan, berarti kecepatan
spesifik adalah jumlah putaran roda turbin
yang bekerja pada tinggi air jatuh H = 1m
dan kapasitas air Q= 1 m3/s (dengan jumlah
putaran yang tertentu rpm).
Dalam pemilihan kecepatan putaran
turbin sedapatnya ditentukan setinggi
mungkin, karena dengan kecepatan putar
yang tinggi akan didapat momen puntir
(kopel) yang kecil, poros yang kecil, dan
diameter turbin yang kecil serta ukuran-
ukuran bagian-bagian mesin lainnya kecil.
Kecepatan spesifik sangat penting
untuk konstruktor, seperti untuk yang
mengerjakan perencanaan dan insinyur-
insinyur yang mengerjakannya, sebab
dengan diketahuinya harga kecepatanspesifik, maka secara garis besar dapat
diketahui pula konstruksi turbin
keseluruhannya dan kondisi kerjanya.
Pabrik-pabrik turbin air memakai
standar pelaksanaannya menurut kecepatan
spesifik dan daya yang dihasilkan turbin.Daerah penggunaan jenis-jenis konstruksi
turbin diperlihatkan oleh gambar di bawah.
Pokok utama pada gambar adalah adanya
daerah penggunaan tipe turbin. Tetapi
supaya diketahui bahwa pada gambar
tersebut di dalam daerah yang dibatasidengan garis terdapat banyak jenis turbin
yang dibuat, jadi sebetulnya garis tersebut
sudah bukan merupakan garis batas lagi.
Gambar Daerah penggunaan dari beberapa
jenis konstruksi turbin yang berbeda,
VOITH, Fritz Dietzel
Turbin Air Aliran Silang (Crossflow)
TurbinCrossflow adalah salah satu
turbin air dari jeis turbin aksi (impulse
turbine). Prinsip kerja turbin ini mula-mula
ditemukan oleh seorang insinyur Australiayang bernama A.G.M. Michell pada tahun
1903. Kemudian turbin ini dikembangkan
dan dipatenkan di Jerman Barat oleh Prof.
Donat Bankisehingga turbin ini diberi nama
Turbin Banki kadang disebut juga Turbin
Michell-Ossberger.
Pemakaian jenis Turbin Crossflow
lebih menguntungkan dibanding dengan
pengunaan kincir air maupun jenis turbin
mikro hidro lainnya. Penggunaan turbin ini
untuk daya yang sama dapat menghemat
biaya pembuatan penggerak mula sampai 50
% dari penggunaan kincir air dengan bahan
yang sama. Penghematan ini dapat dicapaikarena ukuran Turbin Crosfslow lebih kecil
7/25/2019 v7009 Pengujian Unjuk Kerja Turbin Crossflow Skala Laboratorium Dengan Jumlah Sudu 28
8/14
dan lebih kompak dibanding kincir air.
Diameter kincir air yakni roda jalan atau
runnernya biasanya 2 meter ke atas, tetapidiameter Turbin Crossflow dapat dibuat
hanya 20 cm saja sehingga bahan-bahan
yang dibutuhkan jauh lebih sedikit, itulah
sebabnya bisa lebih murah. Demikian juga
daya guna atau effisiensi rata-rata turbin ini
lebih tinggi dari pada daya guna kincir air.Hasil pengujian laboratorium yang
dilakukan oleh pabrik turbin Ossberger
Jerman Barat yang menyimpulkan bahwa
daya guna kincir air dari jenis yang paling
unggul sekalipun hanya mencapai 70 %
sedang effisiensi turbin Crossflow mencapai
82 % ( Haimerl, L.A., 1960 ).
Gambar di bawah menjelaskantentang perbandingan effisiensi dari
beberapa turbin konvensional.
Gambar Effisiensi Beberapa Turbin dengan
Pengurangan Debit Sebagai Variabel
(Sumber : Haimerl, L.A., 1960)
Dari kurva tersebut ditunjukanhubungan antara effisiensi dengan
pengurangan debit akibat pengaturan
pembukaan katup yang dinyatakan dalam
perbandingan debit terhadap debit
maksimumnya.Untuk Turbin Crossflow
dengan Q/Qmak = 1 menunjukan effisiensiyang cukup tinggi sekitar 80%, disamping
itu untuk perubahan debit sampai dengan
Q/Qmak = 0,2 menunjukan harga effisiensi
yang relatif tetap ( Meier, Ueli,1981).
Turbin Crossflow secara umumdapat dibagi dalam dua tipe ( Meier, Ueli,
1981 ) yaitu :
1.Tipe T1, yaitu Turbin Crossflow
kecepatan rendah
2.Tipe T3, yaitu Turbin Crossflow
kecepatan tinggi.
Kedua tipe turbin tersebut lebih
diperlihatkan pada gambar berikut.
Gambar Dua Tipe TurbinCrossflow(Sumber : Haimerl, L.A., 1960)
Komponen-komponen utama dari
turbin crossflow antara lain terdiri dari rotor,
rumah turbin, guide vane, pulley, adapter
dan base frame, seperti yang diperlihatkan
pada gambar berikut.
Gambar Komponen dari turbin Crossflow
Keterangan :1. Adapter
2. Porosguide vane
3. Guide vane
4. Nozel
5.Runner
6. Rangka pondasi
7. Rumah turbin
8. Tutup turbin
9. Poros runner
7/25/2019 v7009 Pengujian Unjuk Kerja Turbin Crossflow Skala Laboratorium Dengan Jumlah Sudu 28
9/14
Aliran Melalui Turbin Crossflow
Sebuah turbin crossflow dalam
bentuk yang paling sederhana terdiri dariroda jalan (runner) dan nosel. Runner
tersusun atas dua buah piringan sejajar yang
dihubungkan oleh serangkaian sudu
melengkung. Nosel turbin crossflow
mempunyai penampang berbentuk persegi
panjang dengan lengkungan pada bagianpenutup atasnya, yang berfungsi
mengarahkan aliran ke sudu pada runner.
Gambar di bawah menunjukkan
skema aliran pada turbin crossflow. Titik A
didefinisikan sebagai outlet nosel, B adalah
titik di mana penutup atas berakhir dan Fmerupakan pusat poros. Air mengalir
melalui nosel dan memasuki runner. Aliran
air melintasi blade pada runner terjadi dua
kali, pertama yaitu ketika air masuk melalui
lengkungan nosel antara titik A dan titik B.
Kedua dihasilakan saat air mengalir
melintasi ruang tengah yang terbuka (bagian
dalam runner) dan diteruskan melaului
blade antara titik C, D dan E. Oleh karena
itu turbin ini disebut dengan turbin dua
tingkat kecepatan. Bagian air yang melintasirunner sebanyak dua kali dikenal sebagai
cross-flow, dan nama turbin berasal dari
fenomena ini. Ada beberapa bagian dari airyang terikut dalam blade dan terlempar
keluar dari runner, ini disebut dengan
entrained flow.
Gambar Skema aliran turbin Crossflow
Teori Pengujian Turbin
1. Daya Hidrolis
Daya hidrolis adalah daya yangdihasilkan oleh air yang mengalir dari suatu
ketinggian. Dalam hal ini daya hidrolis
diperoleh dari daya air yang dihasilkan oleh
pompa. Daya hidrolis dilambangkan dengan
PH. Daya hidrolis dirumuskan sebagai
berikut:
PH = g Q H (2.18)Dengan :
= massa jenis air (kg/m3)
g = gaya gravitasi (m/s2)
Q = debit air (m3/s)
H = head (m)
Besarnya debit air dan head
masing-masing diperoleh dengan
menggunakan alat ukur yang terpasang pada
pipa.
Headadalah energi yang dikandungoleh fluida persatuan berat fulida tersebut.
Head diukur dengan menggunakan alat ukur
tekanan (pressure gauge), dengan demikian
dapat diperoleh besarnya head yaitu :
(2.19)
Dengan pgauge adalah pembacaantekanan pada alat ukur (bar)
2. Daya Turbin
Daya turbin adalah daya yang
dibangkitkan oleh turbin air dengan mengu-
bah energi kinetik air menjadi energi
mekanik berupa putaran poros turbin. Daya
turbin dilambangkan sebagai PT. Besarnya
daya turbin dapat dihitung menggunakan
persamaan sebagai berikut:
(2.20)
Dengan :
n = putaran turbin (rpm)
T = torsi pada poros (Nm)
Torsi diukur dengan menggunakanmekanisme rope brakeseperti pada Gambar
berikut.
GambarRope brake
T = F r
Dengan :
F = beban yang diberikan
pada poros (N)
= F1F2
7/25/2019 v7009 Pengujian Unjuk Kerja Turbin Crossflow Skala Laboratorium Dengan Jumlah Sudu 28
10/14
r = jari-jari pulli (m)
3. Efesiensi TurbinEfisiensi turbin merupakan
perbandingan antara output dan input atau
antara daya turbin dengan daya hidrolis.
Besarnya efisiensi turbin dapat dirumuskan
sebagai berikut :
(2.22)
3. METODE PENELITIAN
Tempat dan WaktuPenelitian dilaksanakan di Laborato
rium Pengujian Mesin Fakultas Teknik
Sekolah Tinggi Teknik Harapan Medan.Waktu penelitian dilaksanakan
setelah memperoleh persetujuan, yaitu sejaktanggal pengesahan usulan oleh pengelola
Program Studi sampai dengan dinyatakan
selesai.
Peralatan
Pada pengujian ini digunakan
beberapa peralatan antara lain :
1. Alat pengujian turbin Crossflow
Alat ini terdiri dari beberapa
bagian, antara lain :
a.
Reservoar, berfungsi sebagai tempatsumber air dan tempat menampung
kembali air yang keluar dari saluran
pembuangan.
b. Pipa PVC tipe AW 2,5, berfungsi
untuk tempat mengalirkan air sampai
ke turbin.c. Pompa Irigasi, dengan kapasitas 1100
liter/menit berfungsi untuk
memindahkan air melalui pipa
sebagai sumber tenaga air.
Gambar Pompa irigasi
d. Flowmeter, digunakan untuk
mengukur debit air.
e. Pressure gauge, mengukur tekana air
dalam pipa.
f. Spring balance, untuk mengetahuibeban pengereman yang diberikan.
g. Rope Brake, berfungsi sebagai alat
untuk mengukur beban pengereman
dengan diameterpulley120 mm.
Gambar Rope Brake
h. Tali manila, berfungsi sebagai media
break.
i. Cassing/Rumah turbin, berfungsisebagai tempat pemasangan turbin
dan nosel. Selain itu rumah turbin
berfungsi untuk menghindari sisa
pancaran air mengarah ke berbagai
arah.
Gambar Alat pengujian turbin Crossflow2. Tachometer, digunakan untuk mengukur
putaran pada poros turbin.
Gambar 3.4. Tachometer
7/25/2019 v7009 Pengujian Unjuk Kerja Turbin Crossflow Skala Laboratorium Dengan Jumlah Sudu 28
11/14
Turbin
G
V I
F1 F2
RopeBrake
Pressure
Gauge Flow Meter
Kotak Panel
Pompa
Bak Penampungan
Katub
Katub
Pipa
Gambar Skema Instalasi Pengujian
Pelaksanaan Pengujian
1. Variabel PengamatanDalam pengujian ini variabel yang
akan diamati adalah :
a. Tekanan air di dalam pipa (Pgauge).
b.
Beban pengereman (F).c. Putaran turbin (N)
2. Persiapan PengujianSebelum pengujian dilaksanakan,
terlebih dahulu persiapkan hal-hal berikut :
a. Memastikan Tachometer berfungsi
dengan baik.
b. Melakukan kalibrasi alat ukur beban
dengan memberikan beban yang telah
ditetapkan massanya.
c. Membersihakan reservoar dari
kotoran, dan mengisinya dengan air
bersih minimal dari volume
reservoar.d. Mengisi dan mengecek bahan bakar
pada pompa air sebelum
dioperasikan.
e. Memasang runner pada turbin
dengan jumlah sudu 28.
f. Memastikan nosel telah terbukapenuh atau 100%.
g. Memeriksa kembali instalasi alat
pengujian sehingga siap untuk
dipergunakan.
3. Pengambilan Data
Tahap pengambilan data dapat
dilaksanakan setelah seluruh tahap persiapanselesai. Pengambilan data dapat dimulai
dengan :
a. Sebelum pompa dihidupkan, terlebih
dahulu mengatur katub nosel pada
posisi terbuka penuh.
b. Menghidupkan pompa dengan
mengengkol tuas pada mesin pompa.
c. Setelah pompa dihidupkan, kemudian
tambah power pada pompa secara
perlahan sampai pada posisimaksimum.
d. Membaca tekanan air dalam pipa
pada pressure gauge dan
mencatatnya pada datasheet..e.
Mengatur beban pengereman F1 dan
F2 serta mengukur putaran turbin
dengan menggunakan tachometer,
kemudian mencatat data-data tersebut
pada datasheet.
f. Mengulangi langkah 5 untuk variasibeban pengereman.
Data Hasil Pengujian
Dari hasil pengujian dengan jumlah
sudu 28 pada runner dan variasi bebanpengereman diperoleh data hasil pengujian
seperti diperlihatkan pada table 3.1.
Tabel 3.1. Data hasil pengujian
No NbQ
(m/s)
Pgauge
(bar)
m
(kg)
N
(rpm)
1
28 0,018 0,25
0 460
2 2 408
3 4 356
4 6 291
5 8 257
6 10 214
7 12 1708 14 135
Diagram Alir Penelitian
7/25/2019 v7009 Pengujian Unjuk Kerja Turbin Crossflow Skala Laboratorium Dengan Jumlah Sudu 28
12/14
MULAI
Permasalahan
Studi literatur
turbin crossflow
khusus jumlah
sudu
Persiapan alat dan
bahan
Data
hasil
pengujian
Analisa data
SELSAI
Pengujian turbin
crossflow
4. HASIL DAN ANALISA DATA
Hasil
Perhitungan data dari hasil
pengujian unjuk kerja turbin Crossflow
dengan jumlah sudu 28, yang terdiri dari
perhitungan Head (H), Daya hidrolis (PH),Torsi (T), Daya turbin (PT), dan Efisiensi
(), diperlihatkan pada tabel 4.1.
Tabel 4.1. Data hasil perhitungan
NoF
(N)
T
(Nm)
PT
(W)
(%)
1 0 0 0 0
2 19,62 1,2 51,2 11
3 39,24 2,35 87,6 19
4 58,86 3,5 106,6 24
5 78,48 4,7 126,4 29
6 98,1 5,9 132,1 31
7 117,72 7,06 125,6 28
8 137,34 8,2 115,8 26
Analisa Data
1. Pengaruh Pembebanan terhadapTorsi.
2. Pengaruh Pembebanan terhadap Daya
Turbin.
3. Pengaruh Pembebanan terhadap
Efisiensi Turbin.
Dari tabel data perhitungan dan
grafik karakteristik di atas, diperoleh hasil
analisa sebagai berikut :
1. Daya Turbin maksimum diperoleh
pada pengujian dengan beban 10 kg
7/25/2019 v7009 Pengujian Unjuk Kerja Turbin Crossflow Skala Laboratorium Dengan Jumlah Sudu 28
13/14
(F= 98,1 N) dengan kapasitas air dan
tekanan yang sama, yaitu 132,1 Watt
2. Efisiensi turbin maksimum diperolehpada pengujian dengan beban 10 kg
(F = 98,1 N) dengan kapasitas air dan
tekanan yang sama, yaitu 31 %.
3. Gambar 1 memperlihatkan bahwa
torsi yang terjadi pada turbin semakin
besar seiring dengan penambahanmassa (pembebanan).
4. Gambar 2 memperlihatkan pada daya
turbin (PT) terjadi penurunan
setetelah diberikan pembebanan
sebesar 12 kg (F = 117,72 N) dan 14
kg (F= 137,34 N).5. Gambar 3 memperlihatkan pada
efisiensi turbin () terjadi penurunan
setelah diberikan penambahan massa
sebesar 12 kg (F = 117,72 N) dan 14
kg (F = 137,34 N), atau penurunan
efisiensi terjadi seiring dengan
penurunan daya turbin.
5. KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan
Dari hasil dan analisa datapengujian turbin Crossflow skala
laboratorium menggunakan runner dengan
jumlah sudu 28, maka diperoleh kesimpulansebagai berikut :
1. Daya turbin maksimum diperoleh
pada pengujian dengan pembebanan10 kg (F= 98,1 N)yaitu 132,1 Watt.
2. Efisiensi turbin maksimum diperoleh
pada pengujian dengan pembebanan
10 kg (F= 98,1 N)yaitu 31%.
Hal ini berbanding lurus dengan daya
turbin (PT) yang dihasilkan, apabiladaya turbin meningkat maka efisiensi
turbin akan meningkat pula.
3. Karakteristik turbin Crossflow :
Torsi yang dihasilkan olehturbin meningkat seiringdengan penambahan beban
sampai pada beban maksimum
14 kg (F = 137,34 N).
Daya yang dihasilkan oleh
turbin meningkat sampai pada
pembebanan 12 kg (F =117,72 N), dan terjadi
penurunan daya sampai pada
pembebanan 14 kg (F =
137,34 N).
Efisiensi yang dihasilkan oleh
turbin meningkat sampai pada
pembebanan 12 kg (F =
117,72 N), dan terjadi
penurunan efisiensi sampaipada pembebanan 14 kg (F =
137,34 N).
5.2. Saran
Untuk lebih menyempurnakan
pembahasan mengenai pengujian ini, makasebaiknya :
1. Dilakukan penelitian terhadap
mekanisme Rope Brake dengan
merubah tali pengereman dengan
bahan yang berbeda untuk
mengetahui perbedaan torsi padaporos turbin.
2.
Dilakukan proses pendinginan pada
mesin pompa disetiap penggantian
beban untuk menjaga tenaga (power)
yang dihasilkan oleh pompa. Karena
kondisi mesin pompa dalam keadaan
panas yang diberi beban secara
continue akan mengurangi tenaga
dari pompa.
3. Dilakukan perawatan terhadap
komponen komponen instalasipengujian turbin Crossflow,
khususnya pada pompa untuk
menjaga kerusakan pada impellerpompa.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Haimerl, L. A. The Cross-Flowturbine. Water PowerEngineering
Magazine, Volume 12, No.1, (1960):
5-13.
[2] Mockmore, C.A.; Merryfield, F. TheBanki Water Turbine. Bulletin
Series No.25, Engineering
Experimental Station, Oregon State
System of Higher Education, Oregon
State College, Corvalis, USA, (1949):
4-27.
[3] Khosrowpanah, S., Fiuzat, A. A.,
Albertson, M.L. Experimental Study
of Cross-Flow Turbine. Journal
Hydraulic Engineering, Vol.114,
No.3 (1988): 299-314.
7/25/2019 v7009 Pengujian Unjuk Kerja Turbin Crossflow Skala Laboratorium Dengan Jumlah Sudu 28
14/14
[4] Desai, V. R., and Aziz, N. M.,
Parametric Evaluation of Cross-
Flow Turbine Performance. Journalof Energy Engineering, Vol.120,
No.1 (1994): 17-34. American
Society of Civil Engineers (ASCE).
[5] Totapally H., Aziz M. Refinement
of Crossflow Turbine DesignParameters. Journal of Energy
Engineering, Vol.120, No.3 (1994):
133-147, American Society of Civil
Engineers (ASCE).
[6] Olgun, H. Investigation of thePerformance of a Cross-Flow
Turbine. International Journal of
Energy Resources, Vol.22 (1998):
953-964.
[7] Kaunda, C.S., Kimambo, C.Z.,
Nielsen, T.K. Experimental Study
on a Simplified Crossflow Turbine.
International Journal of Energy and
Environment, Volume 5, N0.2
(2014): 155-182.
[8] Sammartano, V., Arico, C.,
Carravetta, A., Fecarotta, O.,Tucciarelli, T. Bank-Michell
Optimal Design by Computational
Fluid Dynamic Testing andHydrodynamic Analysis. Energies,
Volume 6 (2013): 2362-2385.
https://aseppadang.wordpress.com/20
09/06/21/karakteristik-turbin-
crossflow/
http://tulisanakhwat.blogspot.co.id/20
14/02/makalah-turbin-air.html
http://mesin.ub.ac.id/jurnal/jurnal/do
wnload.php?id=29
http://mesin.ub.ac.id/jurnal/jurnal/download.php?id=29http://mesin.ub.ac.id/jurnal/jurnal/download.php?id=29http://mesin.ub.ac.id/jurnal/jurnal/download.php?id=29http://mesin.ub.ac.id/jurnal/jurnal/download.php?id=29http://mesin.ub.ac.id/jurnal/jurnal/download.php?id=29Recommended