PDF Laporan Skripsi

LAPORAN LAPORAN SKRIPSI

PERANCANGAN ULANG TURBIN KAPLAN P ADA P LTA WO WONOGI NOGIR R I DENGAN DAYA TERPASANG 6,2 MW

Disusun Oleh : Hermawan 091.03.1105

PROGRAM STUDI STRATA 1 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT SAINS & TEKNOLOGI AKPRIND YOGYAKARTA 2013

i

HALAMAN PENGESAHAN LAPORAN LAPORAN SKRIPSI

PERANCANGAN ULANG TURBIN KAPLAN P ADA P LTA WO WONOGI NOGIR R I DENGAN DAYA TERPASANG 6,2 MW

Disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan studi di Jurusan Jurus an Teknik Teknik Mesin Mes in Je Jenj njang ang Strata Stra ta 1, Fakultas Teknologi Teknologi Industr I ndustrii Institut Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta

Disusun Oleh : Nama : Herma Herma wa n No. Mhs : 091.03.1105 Jurusan Jurusan : Teknik Me sin Fakultas Fakultas : Tek nologi Indust Indust ri

Yogyakar Yogyakar ta, 4 Oktober 2013 Menyetujui, Pembimbing

A. Agung Putu Susastriawan, ST,.M.Tech  NIK. 04. 1077. 589. E

Mengetahui, Ketua Jurusan Teknik Mesin

Drs.H.Khairul Muhajir, MT  NIP  N IP . 195609091983031001 195609091983031001

ii

HALAMAN PENGESAHAN LAPORAN LAPORAN SKRIPSI

PERANCANGAN ULANG TURBIN KAPLAN P ADA P LTA WO WONOGI NOGIR R I DENGAN DAYA TERPASANG 6,2 MW

Disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan studi di Jurusan Jurus an Teknik Teknik Mesin Mes in Je Jenj njang ang Strata Stra ta 1, Fakultas Teknologi Teknologi Industr I ndustrii Institut Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta

Disusun Oleh : Nama : Herma Herma wa n No. Mhs : 091.03.1105 Jurusan Jurusan : Teknik Me sin Fakultas Fakultas : Tek nologi Indust Indust ri

Yogyakar Yogyakar ta, 4 Oktober 2013 Menyetujui, Pembimbing

A. Agung Putu Susastriawan, ST,.M.Tech  NIK. 04. 1077. 589. E

Mengetahui, Ketua Jurusan Teknik Mesin

Drs.H.Khairul Muhajir, MT  NIP  N IP . 195609091983031001 195609091983031001

ii

HALAMAN PENGUJI

PERANCANGAN ULANG TURBIN KAPLAN P ADA P LTA WO WONOGI NOGIR R I DENGAN DAYA TERPASANG 6,2 MW

Disusun Oleh : Nama : He rma wa n No. Mhs : 091.03.1105 Jurusan Jurusan : Teknik Me sin Fakultas Fakultas : Teknologi Indust Indust ri

Skripsi Sk ripsi ini ini telah dipresentas dipres entas ikan ika n dan dipertahanka diperta hankan n dihada dihadapan pan Tim Dosen Dose n Peng Pe nguji uji Yogy Yogyakarta, 4 Oktober 2013

Tim Dosen Penguji:

1. A. Agun Agung g Putu Putu Susastri Susastriawan, ST., M.Tech

................ ........ ................. ................. ................ ..........

2. Drs. H. Khairu Khairull Muhaji Muhajir, r, MT

................ ........ ................. ................. ................ ..........

3. Ir. Hary Wibowo, Wibowo, MT

................ ........ ................. ................. ................ ..........

iii

SURAT PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI

Yang bertanda tangan di bawah ini, saya :  Nama

: HERMAWAN

 NIM

: 091.03.1105

Program Studi

: TEKNIK MESIN

Fakultas

: TEKNOLOGI INDUSTRI

Judul Skripsi

: PERANCANGAN ULANG TURBIN KAPLAN PADA PLTA WONOGIRI DENGAN DAYA TERPASANG 6,2 MW

Menyatakan bahwa skripsi saya ini asli dan belum pernah diajukan untuk  mendapatkan gelar akademik sajarna baik di IST Akprind Yogyakarta maupun di Perguruan Tinggi lain. Dalam Skripsi ini tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau dipublikasikan orang lain, kecuali secara tertulis dengan jelas dicantumkan sebagai acuan dalam naskah dengan disebutkan nama dan dicantumkan dalam daftar rujukan. Apabila dikemudian hari ada klaim dari pihak lain maka akan menjadi tanggung  jawab saya sendiri bukan tanggung jawab dosen pembimbing atau pengelola Fakultas Teknologi Industri dan saya bersedia menerima sanksi akademik sesuai dengan peraturan yang berlaku, termasuk pencabutan gelar kesarjanaan yang telah saya peroleh. Demikian surat pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya tanpa ada paksaan dari pihak manapun.

Yogyakarta,

Oktober 2013

Yang menyatakan,

Hermawan 091.03.1105

iv

MOTTO DAN PERSEMBAHAN

Motto :

1.

                                                                                                                                                                                                             “Janganlah sekali-kali kamu mengira bahwa orang yang gembira dengan apa yang telah mereka kerjakan dan mereka suka supaya dipuji terhadap  perbuatan yang belum mereka kerjakan, janganlah kamu menyangka  bahwa mereka terlepas dari siksa, dan bagi mereka siksa yang pedih”. (Q.S Al-Imran : 188) 2.

Tidak ada yang tidak mungkin selama kita terus berusaha dan pantang menyerah.

3.

Kekuatan Do’a sungguh tak terduga.

4.

Motivasi merupakan bakat besar yang dibutuhkan untuk membuat mesin manusia tetap bekerja.

Persembahan :

1. Ibu dan Bapak tercinta atas segala do’a dan kasih sayangnya. 2. Adik, Alm. Nenek serta keluarga besarku yang selalu ku sayangi. 3. Almamater yang ku banggakan. 4. Sahabat – sahabatku yang selalu menemaniku dalam suka duka. 5. Teman  – teman S-1 Teknik Mesin Angkatan 2009.

v

KATA PENGANTAR 

Syukur alhamdulillah penulis panjatkan atas kehadirat Allah SWT yang telah

memberikan

rahmat

dan

hidayahnya

sehingga

penyusun

dapat

menyelesaikan tugas akhir ini sesuai dengan yang diharapkan. Tugas akhir  merupakan syarat yang harus dipenuhi dalam menyelesaikan studi jenjang S-1  pada jurusan teknik mesin IST AKPRIND Yogyakarta. Pada kesempatan yang  baik ini, penulis ingin menyampaikan penghargaan dan terima kasih kepada. 1. Bapak Dr. Ir. Sudarsono. MT, selaku Rektor Institut Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta. 2. Bapak Drs. H. Khairul Muhajir, MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Institut Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta. 3. Bapak Ir. Sugijarto. PS, selaku Dosen Pembimbing I Tugas Akhir. 4. Bapak A. Agung Putu Susastriawan, ST., M.Tech, selaku Dosen Pembimbing II Tugas Akhir. 5. Semua pihak yang telah membantu terselesaika nnya Tugas Akhir ini. Atas kekurangan dan keterbatasan dalam penyusunan tugas akhir ini, segala kritik dan saran yang bersifat membangun sangat penulis harapkan. Semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat khususnya bagi penulis dan bagi  pembaca pada umumnya.

Yogyakarta,

Oktober 2013

Penyusun

vi

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL .......................................................................................... i HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................ ii HALAMAN PENGUJIAN ................................................................................ iii SURAT PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI .............................................. iv MOTTO DAN PERSEMBAHAN ..................................................................... v KATA PENGANTAR ........................................................................................ vi DAFTAR ISI ...................................................................................................... vii DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... x DAFTAR TABEL .............................................................................................. xii ABSTRAK 

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belaka ng ..................................................................................... 1 1.2. Rumusan Masalah ................................................................................ 2 1.3. Batasa n Masalah .................................................................................. 2 1.4. Tujuan Tugas Akhir ............................................................................. 2 1.5. Manfaat Tugas Akhir ........................................................................... 3 1.6. Sistematika Tugas Akhir ....................................................................... 3

BAB II LANDASAN TEORI

2.1. Tinjauan Pustaka .................................................................................. 5 2.2. Potensi Tenaga Air ............................................................................... 7 2.3. Sejarah Turbin ...................................................................................... 8 2.3.1 Pengertian Dasar Turb in Air ...................................................... 10 2.3.2 Prinsip Kerja Turbin Air ............................................................ 11 2.4. Klasifikasi Turb in ................................................................................ 12 2.4.1 Turbin Impuls ............................................................................. 13 2.4.2 Turbin Reaks i .............................................................................. 16

vii

2.5 Instalasi Pembangkit Listrik Tenaga Air ............................................. 19 2.6 Kriteria Pemilihan Turbin .................................................................... 22 2.7 Dasar  – dasar Perhitungan Turbin ........................................................ 25 2.7.1. Perhitungan Head Efekt if ........................................................... 27 2.7.2. Dimensi Penstock ....................................................................... 30 2.7.3. Poros ........................................................................................... 32 2.7.4. Bantalan ..................................................................................... 34

BAB III PERANCANGAN KONSTRUKSI DAN INSTALASI TURBIN AIR 

3.1 Pemba ngkit Listrik Tenaga Air (PLTA) Wonogiri .............................. 38 3.1.1. Komponen Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) Wonogiri .. 40 3.1.2. Waduk ( Reservoir ) ..................................................................... 40 3.2 Spesifikasi Turbin ................................................................................ 42 3.3 Kriteria Pemilihan dan Perancanga n Jenis Turbin ............................... 43 3.4 Prinsip Kerja Turbin Kaplan PLTA Wonogiri ..................................... 45 3.5 Bagian – bagian Utama Turbin Kaplan ................................................ 46 3.6 Peralatan Pendukung Kerja Turbin Kaplan ......................................... 51 3.6.1. Govenor ...................................................................................... 51 3.6.2. Servomotor ................................................................................. 54 3.6.3. Alat Pendukung Kerja Alat Bantu Operasi Turbin .................... 56 3.7 Skema Instalasi Turbin Kaplan ............................................................ 58 3.8 Dimensi Penstock ................................................................................. 58 3.9 Kerugia n Tinggi Tekan (head losses) .................................................. 60

BAB IV PERANCANGAN KOMPONEN UTAMA TURBIN

KAPLAN 

4.1 Diagram Alir ( flowchart ) Perancangan ................................................ 68 4.2 Menghitung Ukuran Utama dari Sudu Gerak ( Runner ) ....................... 69 4.3 Menghitung Ukuran Utama Rumah Turbin (Spiral Casing ) ............... 80 4.3.1. Kecepatan pada sisi masuk  spiral casing ................................... 81 4.3.2. Spiral Casing Dari Pandangan Atas .......................................... 81 4.3.3. Spiral Casing Dari Pandangan sa mping .................................... 85 4.4 Perhitungan Draft Tube ........................................................................ 87

viii

4.4.1. Kecepatan aliran masuk ............................................................. 87 4.4.2. Draft Tube dari pandangan samping .......................................... 88 4.4.3. Draft Tube dari pandangan atas ................................................. 90 4.5 Poros Turbin Kaplan ............................................................................ 93 4.6 Perancangan Bantalan .......................................................................... 95

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan .......................................................................................... 97 5.2 Saran – saran ........................................................................................ 98

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

ix

DAFTAR GAMBAR 

Gambar 2.1 Roda air kuno ................................................................................ 8 Gambar 2.2 Turbin fourneyro n ......................................................................... 9 Gambar 2.3 Tipe – tipe turbin ........................................................................... 10 Gambar 2.4 Skema penye mprotan pada turbin pe lton ...................................... 14 Gambar 2.5 Instalasi turbin pe lton hor izontal dan vertikal .............................. 14 Gambar 2.6 Skema penye mprotan pada turbin turgo ....................................... 15 Gambar 2.7 Konstruksi turbin ossberger .......................................................... 16 Gambar 2.8 Skema alira n masuk turbin francis ................................................ 18 Gambar 2.9 Instalasi turbin francis ................................................................... 18 Gambar 2.10  Runner turbin kaplan ................................................................... 19 Gambar 2.11 Tingkat head sumber air .............................................................. 20 Gambar 2.12 Skema instalasi pemba ngkit listrik .............................................. 22 Gambar 2.13 Ilustrasi tinggi tekan pada turbin ................................................. 23 Gambar 2.14 Diagram alir pera ncangan instalasi turbin ................................... 25 Gambar 2.15 Ilustrasi menentukan tinggi tekan efektif..................................... 28 Gambar 2.16 Notasi Dimensi penstock ............................................................. 31 Gambar 2.17 Poros Tra nmisi ............................................................................. 32 Gambar 2.18 Macam-macam Bantalan Gelinding ............................................ 35 Gambar 3.1 Komponen sistem pemba ngkitan PLTA Wonogiri ....................... 40 Gambar 3.2 Waduk Wonogiri............................................................................ 41 Gambar 3.3 Kriteria pemilihan turbin ............................................................... 45 Gambar 3.4 Turbin Kaplan PLTA Wonogiri..................................................... 46 Gambar 3.5 Spiral Casing  Turbin Kap lan ......................................................... 47 Gambar 3.6 Gambar Sudu Pengatur .................................................................. 48 Gambar 3.7 Gambar Sudu Gerak (runner ) ........................................................ 48 Gambar 3.8 Gambar Poros Turbin..................................................................... 49 Gambar 3.9 Gambar  Draft Tube ........................................................................ 51

x

Gambar 3.10 Peralatan Governor Hidrolik........................................................ 52 Gambar 3.11 Skema Oil Pressure Governor Elektromekanis........................... 53 Gambar 3.12 Skema instalasi turbin Kaplan .................................................... 57 Gambar 3.13 Kehilangan-kehilangan pada rak ................................................. 61 Gambar 3.14 Koefisien entrence losses (K e) ..................................................... 62 Gambar 3.15 koefisien entrence losses (K e) ...................................................... 62 Gambar 3.16 Diagram moody ........................................................................... 64 Gambar 3.17 Koefisien kerugian head untuk belokan pipa............................... 65 Gambar 4.1. Diagram alir perancangan ............................................................. 68 Gambar 4.2 Harga untuk menentukan ukuran – ukuran pokok turbin .............. 70 Gambar 4.3 Segitiga kecepatan pada bagian tengah runner ba gian keluar ....... 72 Gambar 4.4 Segitiga kecepatan pada bagian tengah runner pada

 bagian keluar dan mas uk............................................................... 73 Gambar 4.5. Segitiga kecepatan pada bagian luar runner bagian keluar .......... 74 Gambar 4.6 Segitiga kecepatan pada bagian luar  runner  pada bagian

keluar dan masuk ........................................................................... 75 Gambar 4.7 Segitiga kecepatan pada ba gian leher poros bagian ke luar........... 76 Gambar 4.8 Segitiga kecepatan pada bagian leher poros pada bagian

keluar dan masuk ........................................................................... 78 Gambar 4.9 Dimensi runner Turbin Kaplan...................................................... 80 Gambar 4.10 Pandangan atas spiral casing ....................................................... 81 Gambar 4.11 Pandangan samping spiral casing ................................................ 85 Gambar 4.12 Pandangan samping pada draft tube............................................ 88 Gambar 4.13 Pandangan atas pada draft tube ................................................... 90 Gambar 4.14 Bantalan rol silinderis .................................................................. 96

xi

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Klasifikasi jenis pembangkit listrik tenaga air .................................. 21 Tabel 2.2. Klasifikasi penggunaan jenis turbin Berdasarakan head ................... 23 Tabel 2.3. Klasifikasi penggunaan jenis turbin berdasarakan jangkuan head .... 23 Tabel 2.4. Penggunaan jenis turbin berdasarakan kecepatan spesifik ................ 24 Tabel 2.5. Kecepatan sinkron generator ............................................................ 27 Tabel 2.6. Spesifikasi Bantalan gelinding dengan Media gelinding bola .......... 37 Tabel 3.1. Kapasitas terpasa ng PLTA Wonogiri ................................................ 41 Tabel 3.2. Data awal pemilihan jenis turbin ....................................................... 44 Tabel 3.3. Koefisien bentuk kisi ......................................................................... 60 Tabel 3.4. Tinggi kekasaran pipa........................................................................ 64 Tabel 3.5. Tekan atmosfer dan variasi teka n uap ............................................... 66 Tabel 4.1 Ringkasa n hasil perhitungan dimensi turbin Kaplan.......................... 80

xii

PERANCANGAN ULANG TURBIN KAPLAN PADA PLTA WONOGIRI DENGAN DAYA TERPASANG 6,2 MW Hermawan (091.03.1105) Dosen Pembimbing: Ir. Sugijarto. PS dan A. Agung Putu Susastriawan,ST.,M.Tech Institut Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta

ABSTRAK 

 Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatk an dan digunakan dalam wujud  energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin yang memanfaatkan tinggi jatuh (head) dan laju aliran volumetrik (debit) air. Prinsip kerja turbin ini didukung  oleh sudu  –  sudu yang ada pada turbin, sudu  –  sudu berfungsi untuk mengatur  tekanan arus air agar dapat memutar turbin, gerakan turbin menimbulkan energi  putar yang diteruskan k e poros, kemudian diteruskan ke tranmisi kecepatan dan akhirannya akan memutar generator pembangkit listrik.  Batasan masalah perancangan t urbin kaplan k apasitas daya terpasang 6,2  MW, meliputi : Tinggi jatuh air (head) tersedia 25,5 meter, perancangan komponen meliputi : pipa penyalur (penstock), spiral casing, runner turbin,  poros, bantalan, draft tube dan pemilihan bahan  –  bahan yang digunakan untuk  komponen  –  komponen turbin yang dirancang.  Kesimpulan yang didapat dari hasil perancangan turbin Kaplan sebagai  penggerak generator listik pada PLTA Wonogiri adalah: Berdasarkan daya terpasang sebesar 6,2 MW dan dengan head maksimal 25,5 meter diperoleh kebutuhan debit air sebesar 28,48 m 3 /detik. Instalasi PLTA Wonogiri terdiri dari turbin, peralatan pendukung kerja turbin, dan alat bantu operasi turbin.  Komponen instalasi turbin terdiri dari: pipa hisap (penstock), rumah turbin (spiral casing), runner, poros runner, bantalan pendukung poros dan draft tube.

Kata Kunci : Turbin Kaplan, Head, Daya Turbin, Runner Turbin Kaplan¸

 PLTA Wonogiri

BAB I PENDAHULUAN

1.1

Latar Belakang

Potensi tenaga air merupakan salah satu dari sumber energi baru yang terbarukan (renewable) yang murah dan ramah lingkungan dibandingkan dengan  penggunaan bahan bakar fosil. Potensi tenaga air di Indonesia yang dapat dimanfaatkan untuk pembangkit listrik sebesar 500 MW, sampai saat ini baru dimanfaatkan sebesar 4% dari total potensi tenaga air di Indonesia atau 20 MW (CIDA, 1992). Kebutuhan akan energi listrik akan terus mengalami peningkatan. Pemanfaatan energi listrik tersebut akan senantiasa berkembang. Untuk itu, industri dalam hal ini pembangkit listrik mempunyai peranan yang penting dalam  penyediaan listrik tersebut. Banyak wilayah di Indonesia khususnya wilayah  pedesaan terpencil yang belum dapat terjangkau oleh jaringan listrik PLN karena alasan teknis dan ekonomis. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin yang memanfaatkan tinggi jatuh (head ) dan laju aliran volumetrik (debit) air. Prinsip kerja turbin ini didukung oleh sudu  –  sudu yang ada pada turbin, sudu  –  sudu berfungsi untuk mengatur tekanan arus air agar dapat memutar turbin, gerakan turbin menimbulkan energi putar  yang diteruskan ke poros, kemudian diteruskan ke tranmisi kecepatan dan akhirnya akan memutar generator pembangkit listrik.

1

2

1.2

Rumusan Masalah

Permasalahan yang timbul adalah bagaimana cara melakukan perancangan turbin Kaplan sebagai penggerak generator listrik pada PLTA Wonogiri.

1.3

Batasan Masalah

Batasan masalah perancangan turbin Kaplan kapasitas daya terpasang 6,2 MW, meliputi : 1. Tinggi jatuh air (head ) tersedia 25,5 meter. 2. Perancangan komponen meliputi : pipa penyalur ( penstock ), rumah turbin (spiral casing), runner turbin, poros turbin, bantalan dan draft tube. 3. Pemilihan bahan  –  bahan yang digunakan untuk komponen  –  komponen turbin yang dirancang.

1.4

Tujuan Tugas Akhir

Perancangan turbin Kaplan kapasitas daya terpasang 6,2 MW pada PLTA Wonogiri, bertujuan : 1. Mengetahui dimensi komponen utama turbin Kaplan, meliputi : pipa  penyalur ( penstock ), rumah turbin (spiral casing), runner  turbin, poros turbin, bantalan dan draft tube. 2. Menghasilkan gambar rancangan turbin Kaplan kapasitas daya terpasang 6,2 MW pada PLTA wonogiri.

3

1.5

Manfaat Tugas Akhir

Manfaat turbin Kaplan kapasitas daya terpasang 6,2 MW pada PLTA Wonogiri adalah : 1. Memanfaatkan potensi energi air berupa aliran dari bendungan yang dapat menghasilka n daya 6,2 MW. 2. Memberikan gambaran yang jelas mengenai pemanfaatan potensi aliran air  sebagai pembangkit listrik tenaga air.

1.6

Sistematika Penulisan

Untuk mempermuda h proses penyusunan laporan maka dibuat sistematika  penulisan laporan perancangan turbin Kaplan kapasitas daya terpasang 6,2 MW dengan susunan laporan sebagai berikut : HALAMAN JUDUL HALAMAN PENGESAHAN KATA PENGANTAR  DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR  DAFTAR TABEL

BAB I

PENDAHULUAN

Bab pendahuluan ini menguraikan mengenai latar belakang masalah, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan tugas akhir, dan sistematika  penulisan.

4

BAB II

LANDASAN TEORI

Bab ini berisikan landasan teori  –  teori dasar tentang masalah tugas akhir, penjelasan mengenai konsep  –  konsep dasar permasalahan yang diangkat serta mandukung tugas akhir yang akan dilakukan, dan tinjauan pustaka.

BAB III KONSTRUKSI DAN INSTALASI TURBIN

Bab ini berisikan tentang ide/ pemikiran, gambaran umum prinsip kerja turbin Kaplan kapasitas daya terpasang 6,2 MW pada PLTA Wonogiri,  penentuan jenis turbin air yang akan digunakan sebagai penggerak generator  listrik, skema instalasi, penentuan tiggi tekan total air dengan menghitung kerugian  – kerugian tinggi tekan yang terjadi pada skema instalasi.

BAB IV PERANCANGAN KOMPONEN UTAMA TURBIN

Bab

ini

berisikan

tentang

perhitungan  –  perhitungan

untuk 

menentukan dimensi dari komponen turbin Kaplan kapasitas daya terpasang 6,2 MW pada PLTA Wonogiri.

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

Memuat pernyataan singkat dan tepat yang dijabarkan dari hasil tugas akhir. Saran, dibuat berdasarkan pengalaman dan pertimbangan, untuk  melakukan perancangan lebih lanjut. DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

BAB II LANDASAN TEORI

2.1

Tinjauan Pustaka

Muhamad (2010) melakukan perancangan ulang turbin air Kaplan poros tegak 1,2 MW PLTM plumbungan Sub unit UBP Mrica Banjarnegara. Turbin air  Kaplan adalah salah satu dari jenis turbin air dalam hal ini air sebagai fluida kerjanya. Prinsip kerja dari turbin air adalah merubah energi potensial menjadi enargi kinetik dan energi mekanik. Perubahan energi dari kinetik menjadi energi mekanik terjadi pada sudu  –  sudu gerak  (runner). Komponen turbin Kaplan utama terdiri dari: casing  (rumah turbin), sudu hantar ( guide vane),  Runner  (sudu jalan),  poros utama (main shaft ),  guide bearing, Thrust bearing , dan pipa isap (draft  tube). Surbakti (2009) melakukan perencanaan serta pembuatan prototipe turbin air terapung bersudu lengkung dengan memanfaatkan kecepatan aliran sungai, adapun hasil perancangan sebagai berikut: diameter turbin 75 cm, lebar turbin 50 cm, bahan sudu baja ST 37 dengan tebal 2 mm, model sudu lengkung, jumlah sudu 12 buah, panjang sudu 50 cm lebar sudu 20 cm, bahan sudu baja ST37,  putaran turbin 31 rpm, daya dihasilkan turbin 372,58 watt. Jorfri (2009) melakukan perancangan turbin air sistem pembangkit listrik  tenaga mikro hidro (studi kasus desa Way Gison kecamatan sekincau kabupaten lampung barat), dengan hasil sebagai berikut: turbin air yang dipilih untuk  memanfaatkan aliran sungai Way Gison dengan laju aliran 0,407 m 3 /detik dan

5

6

tinggi jatuh 10,7 m adalah jenis turbin aliran silang (cross flow) dengan parameter   –  parameter daimeter luar turbin 0,34 meter dan diameter dalam turbin 0,21 meter, lebar turbin 0,58 meter, dan jumlah sudu turbin adalah 18 buah, efisiensi  perancangan 83% dengan daya yang dihasilka n sekitar 23,8 kW. Glad (2009) melakukan perencanaan serta pembuatan prototipe turbin air  terapung bersudu datar dengan memanfaatkan kecepatan aliran sungai, tujuan  perancangan

adalah

untuk

membuat

prototipe

turbin

terapung

dengan

memanfaatkan kecepatan aliran sungai, adapun hasil perancangan sebagai berikut: diameter turbin 75 cm, lebar turbin 50 cm, bahan sudu baja ST 37 dengan tebal 2 mm, model sudu datar, jumlah sudu 12 buah, panjang sudu 50 cm lebar sudu 16 cm, bahan sudu baja ST 37, putaran turbin 27 rpm, daya yang dihasilkan turbin 258,62 watt, dengan total berat turbin 38 kg. Amrullah (2008) melakukan perancangan turbin air Francis pada head 50 M dan daya 4,5 MW, menyimpulkan mengenai spesifikasi dari perancangan turbin air Francis sebagai berikut: Jumlah sudu (Z) 69, tinggi runner  681 mm,  perencanaan  spiral casing, kecepatan sisi masuk  spiral casing  (V) 69,424 m/s, Kecepatan aliran masuk  draft tube (V3 ) 9,5 m/s. Diameter  penstock  (Dp) 2225 mm, tabel penstock (t) 55 mm, panjang  penstock (L) 115.543 mm, diameter poros (ds) 266 mm, panjang poros (l ) 2.340 mm, tegangan geser yang di ijinkan ( τa) 6 kg/mm2 , tegangan geser yang terjadi (τ ) 4 kg/mm2 . Perencanaan bantalan, diameter dalam (D2 ) 266 mm, diameter luar (D1 ) 541 mm, dan tinggi bantalan (Hb) 120 mm.

7

2.2

Potensi Tenaga Air

Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat, karena pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik  (pada air mengalir). Tenaga air  (Hydropower) adalah energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air   banyak

dilakukan

dengan

menggunakan

kincir

air

atau

turbin

air

yang

memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran air di sungai. Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada  besarnya head  dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head  adalah beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar  dari kincir air/ turbin air. Pembangkitan

tenaga

listrik

sebagaian

besar

dilakukan

dengan

cara

memutar generator sinkron sehingga didapat tenaga listrik dengan tegangan bolak   –  balik tiga fasa. Energi mekanik yang diperlukan untuk memutar generator  sinkron didapat dari mesin penggerak generator atau penggerak mula (prime mover). Mesin penggerak generator dalam praktiknya banyak digunakan: mesin diesel, turbin uap, turbin air dan turbin gas. Energi yang didapat mesin  –  mesin  penggerak generator ini didapat dari : 1. Proses pembakaran bahan bakar (untuk mesin  – mesin thermal) 2. Air terjun (untuk turbin air) Dengan demikian mesin penggerak generator sesungguhnya melakukan konversi energi primer menjadi energi mekanik penggerak generator.

8

2.3

Sejarah Turbin

Orang Cina dan Mesir kuno sudah menggunakan turbin air sebagai tenaga  penggerak. Pada gambar 2.1 adalah contoh turbin air paling kuno, biasa dinamai roda air. Roda air dengan poros horizontal dipasang pada aliran sungai, sebagian dari roda air dimasukan ke aliran sungai, sehingga bucket   –  bucket  terisi air dan terdorong. Karena dorongan itulah roda air berputar. Karena teknologinya masih kuno, roda air hanya menghasilkan daya rendah dengan efisiensi rendah. Roda air  kuno ditunjukkan oleh Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Roda air kuno (Sumber: Sunyoto, 2008, hlm; 408)

Perkembangan teknologi turbin kelihatan berkembang cepat mulai abad 18 dan 19. Daya dan efisiensi turbin yang dihasilkan semakin tinggi dan sejak saat itu, turbin mulai diproduksi komersial di industri  –  industri. Pada tahun 1750, J.A. Segner membuat roda jalan dimana roda jalan ini menerima gaya impuls dari jet air sehingga dapat memutar turbin. Pada tahun 1824, Burdin orang Prancis, mengenalkan desain turbinnya untuk desertasi, selanjutnya pada tahun 1827, Fourneyron membuat turbin dengan diameter roda jalan 500 mm, dapat menghasilka n daya 20 – 30 kW seperti ditunjukkan oleh Gambar 2.2.

9

Gambar 2.2 Turbin fourneyron (Sumber: Sunyoto, 2008, hlm; 408)

Pada tahun 1820, Jean-Victor Poncelet mengembangkan turbin aliran kedalam. Pada tahun 1826, Benoit Fourneyron mengembangkan turbin aliran keluar. Turbin ini sangat efisien (~80%) yang mengalirkan air melalui saluran dengan

sudu

lengkung

satu

dimensi.

Saluran

keluaran

juga

mempunyai

lengkungan pengarah. Pada tahun 1844, Uriah A. Boyden mengembangkan turbin aliran keluar yang meningkatkan performa dari turbin Fourneyron. Pada tahun 1850, seorang insinyur Inggris yaitu Francis mengenalkan teknologi turbinnya, turbin ini kemudian dinamakan menggunakan namanya yaitu turbin Francis. Turbin Francis terdiri dari sudu pengarah dan roda jalan, Aliran air masuk turbin melalui sudu pengarah, selanjutnya masuk roda jalan. Pada tahun 1870, Prof Fink memperbaiki turbin Francis, yaitu dengan memodifikasi sudu pengarahnya. Sudu pengarah dapat diatur untuk merespon kapasitas aliran air yang masuk turbin. Pada tahun 1890, insinyur Amerika yaitu Pelton,

mengenalkan

turbinnya,

yang

kemudian

dinamakan

menggunakan

namanya turbin Pelton. Prinsip turbin ini berbeda dengan turbin francis, turbin  pelton menggunakan prinsip impuls. Roda jalan pada turbin ini terdiri dari bucket   – 

bucket  yang akan menerima semprotan air dari nosel  –  nosel. Karena semprotan

10

air dari nosel, bucket   –  bucket  pada bucket  pada roda jalan jalan meneri enerim ma gaya aya impul puls sehi sehingga dapat dapa t meng menghasilka hasilka n torsi pada poros turbin turbin.. Prof. Kaplan pada tahun 1913 membuat turbin untuk beroperasi pada head yang rendah. Turbin ini terdiri dari roda jalan dengan sudu yang mirip dengan  bali  baling  –  baling. Selanjutnya Prof. Kaplan mengembangkan turbin ini dengan sudu yang dapat diatur. Nama turbin menggunakan namanya yaitu Turbin Kaplan. Tipe  – tipe  – tipe turbin ditunjukka ditunjukka n oleh o leh Gambar 2.3. 2. 3.

 – tipe turbin Gambar 2.3 Tipe  – tipe (Sumber: Sunyoto Sunyoto,, 2008, 20 08, hlm; hlm; 410) 410 )

2.3.1

Penge Pe ngertian rtian Dasar Das ar Tur Turbin bin Air

Turbin adalah mesin penggerak dimana energi fluida yang dipergunakan langsung untuk memutar roda turbin. Jadi, berbeda dengan yang terjadi pada

11

mesin torak, pada turbin tidak terdapat bagian mesin yang bergerak translasi. Bagian turbin yang berputar disebut rotor atau roda turbin, sedangkan bagian yang tidak bergerak disebut stator atau rumah turbin. Roda turbin terletak di dalam rumah turbin dan roda turbin memutar poros daya yang menggerakkan atau memutar bebannya (generator listrik, pompa, kompresor, baling  –  baling atau mesin lainnya). Di dalam turbin, fluida kerjanya mengalami proses ekspansi, yaitu  proses penu penurun runan tekanan tekanan fluida, dan meng engali alir secara konti kontiny nyu u. Flu Fluida kerjany kerjanya dapat berupa air, uap air, atau gas. Jadi secara garis besar turbin air dapat diartikan mesin

konversi

energi

yang

dapat

menghasilkan

daya

dengan

cara

mengekspansikan (menurunkan tekanan) fluida yang berupa air yang mengalir  secara sec ara kontinyu kontinyu melalui melalui turbin air air tersebut. ters ebut. 2.3.2

Prinsip Prinsip Kerj Ke rja a Turb Turbin in Air

Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerjanya mengalir melalui ruang diantara sudu tersebut. Apabila kemudian ternyata bahwa roda turbin dapat  berputar,  berputar, maka ada gaya aya yang ang bekerja bekerja pada sudu sudu tersebut. tersebut. Gaya Gaya tersebu tersebut tim timbul bul karena terjadi perubahan momentum dari fluida kerja yang mengalir diantara sudu. Jadi, haruslah sudu yang dibentuk sedemikian rupa sehingga dapat terjadi  perubah  perubahan an momen omentu tum m pada fluida kerja tersebu tersebut. t. Sedang Sedangkan pada turbi turbin n air air secara garis besar kerja turbin sampai menghasilkan energi lisrtrik adalah dengan memanfaatkan air yang memiliki ketinggian yang mengalir dari tempat yang tinggi (dam/ waduk) menuju tempat yang lebih rendah. Dalam hal tersebut air  memiliki energi potensial dan diteruskan pada pipa  –  pipa atau pipa pesat (penstock) lalu masuk ke dalam rumah turbin dan di dalam turbin energi potensial tersebut

diubah

menjadi

energi

mekanis

yaitu

terjadi

karena

perubahan

12

momentum yang diakibatkan oleh air pada runner  sehingga menggerakan poros turbin yang diteruskan untuk menggerakkan poros generator sehingga terjadi  perubah  perubahan an energ energii mekani ekanis menjadi enjadi energ energii listrik. strik. Kompon Komponen en  –  komponen turbin yang penti pe nting ng adalah a dalah sebagai seb agai berikut : 1.

Sudu pengarah (guide vane) Biasanya dapat diatur untuk mengontrol kapasitas aliran yang masuk  turbin.

2. Roda jalan atau runner turbin runner turbin Pada bagian ini terjadi peralihan energi potensial fluida menjadi energi mekanik. 3. Poros turbin Pada poros turbin terdapat runner  dan ditumpu dengan bantalan radial dan bantalan aksial aks ial.. 4. Rumah turbin Biasanya berbentuk keong atau  spiral , berfungsi untuk mengarahkan aliran aliran masuk ke sudu peng pe ngara arah. h. 5. Pipa hisap Mengalirkan Mengalirka n air yang yang keluar dari da ri turbin ke saluran luar  (tail race). race).

2.4

Klasifikas Klas ifikasii Tur Turbin bin Air

Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Energi mekanis diubah dengan generator listrik menjadi tenaga listrik. Berdasarkan  prin  prinsip sip kerja turbi turbin n dalam dalam meng engubah energ energii potensi potensial al air air menjadi enjadi energ energii mekani ekanis, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi.

13

Turbin air terdapat dalam suatu pembangkit listrik berfungsi untuk mengubah energi potensial yang dimiliki air menjadi energi kinetik. Selanjutnya energi kinetik ini akan dirubah menjadi energi elektrik melalui generator. Hal ini menyebabkan setiap pembahasan tentang turbin hidrolik akan mengikutsertakan generator sebagai pembangkit listrik. 2.4.1

Turbin Impuls

Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozle. Air keluar  nozle

yang

mempunyai

kecepatan

tinggi

membentur

sudu

turbin.

Setelah

membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan. Adapun jenis  – jenis turbin impuls adalah sebagai berikut : 1. Turbin Pelton.

Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air  yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nosel. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi. Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk sedemikian sehingga 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. Untuk  turbin dengan daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi lewat

14

 beberapa nosel. Dengan demikian diameter pancaran air bisa diperkecil dan ember sudu lebih kecil. Skema turbin Pelton ditunjukkan oleh Gambar 2.4, dan Instalasi turbin pelton dapat dilakukan secara horizontal dan vertikal, seperti ditunjukkan oleh Gambar 2.5.

Gambar 2.4 Skema penyemprotan pada turbin pelton (Sumber: Sunyoto, 2008, hlm; 424)

.

Gambar 2.5 Instalasi turbin pelton horizontal dan vertikal (Sumber: Sunyoto, 2008, hlm; 426- 427) 2. Turbin Turgo.

Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin  pelton, turbin turgo merupakan turbin impuls, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozle membentur sudu pada sudut 20 o . Kecepatan putar  turbin turgo lebih besar dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan

15

transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total

sekaligus

menurunkan

biaya

perawatan.

Skema

turbin

turgo

ditunjukkan Gambar 2.6.

Gambar 2.6 Skema penyemprota n pada turbin turgo (Sumber: Penche, 1998, hlm; 158) 3. Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow 

Pada turbin impuls pelton beroperasi pada head relatif tinggi, sehingga pada head  yang rendah operasinya kurang efektif atau efisiensinya rendah. Karena alasan tersebut, turbin pelton jarang dipakai secara luas untuk   pembangkit listrik skala kecil. Sebagai alternatif turbin  jenis impuls yang dapat beroperasi pada head  rendah adalah turbin impuls aliran ossberger  atau turbin crossflow. Pada gambar 2.7 adalah turbin crossflow, konstruksi turbin ini terdiri dari komponen utama yaitu : 1. Rumah turbin 2. Alat pengarah 3. Roda jalan 4. Penutup 5. Katup udara 6. Pipa hisap

16

7. Bagian peralihan Aliran air dilewatkan melalui sudu  –  sudu jalan yang berbentuk silinder, kemudian aliran air dari dalam silinder keluar melului sudu  –  sudu. Jadi  perubahan energi aliran air menjadi energi mekanik putar terjadi dua kali yaitu pada waktu air masuk silinder dan air keluar silinder. Energi yang diperoleh dari tahap kedua adalah 20%nya dari tahap  pertama.

Gambar 2.7 Konstruksi turbin ossberger  (Sumber: Sunyoto, 2008, hlm; 428)

2.4.2

Turbin Reaksi

Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga runner  (bagian turbin yang berputar) dapat  berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi. Proses ekspansi fluida kerja pada turbin reaksi terjadi pada sudu

17

tetap dan sudu geraknya. Air mengalir memasuki roda turbin melalui sudu  –  sudu  pengarah dengan tekanan yang tinggi. Pada saat air yang bertekanan tersebut mengalir kesekeliling sudu  –  sudu, runner  turbin akan berputar penuh. Energi yang ada pada air akan berkurang ketika meninggalkan sudu. Energi yang hilang tersebut telah diubah menjadi energi mekanis oleh roda turbin. Dilihat dari konstruksinya, turbin reaksi ada dua jenis : 1. 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 turbin Francis dapat merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu  pengarah yang dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan  pilihan yang tepat. Pengaturan daya yang dihasilkan yaitu dengan mengatur   posisi pembukaan sudu pengarah, sehingga kapasitas air yang masuk ke roda turbin dapat diperbesar atau diperkecil. Turbin Francis dapat dipasang dengan poros vertikal dan horizontal, skema aliran masuk dan instalasi turbin Francis ditunjukkan oleh Gambar 2.8 dan 2.9.

18

Gambar 2.8 Skema aliran masuk turbin francis (Sumber: Sunyoto, 2008, hlm; 430)

Gambar 2.9 Instalasi turbin francis (Sumber: Sunyoto, 2008, hlm; 430) 2. Turbin Kaplan.

Tidak

berbeda

dengan

turbin

Francis,

turbin

Kaplan

cara

kerjanya

menggunakan prinsip reaksi. Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan baling  –  baling pesawat terbang. Bila baling  –  baling pesawat terbang berfungsi untuk menghasilkan gaya dorong, roda jalan pada turbin Kaplan berfungsi untuk mendapatkan gaya  F  yaitu gaya putar yang dapat menghasilkan torsi pada poros turbin. Berbeda dengan roda jalan pada Francis, sudu  –  sudu pada roda jalan turbin Kaplan dapat diputar posisinya untuk menyesuaikan kondisi beban turbin. Turbin Kaplan banyak dipakai

19

 pada

instalasi pembangkit

listrik

tenaga air sungai, karena turbin ini

mempunyai kelebihan dapat menyesuaikan head yang berubah  –  ubah sepanjang tahun. Turbin Kaplan dapat beroperasi pada kecepatan 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. Bentuk  runner  pada turbin Kaplan ditunjukkan Gambar 2.10.

(a)

(b)

Gambar 2.10 (a) Runner turbin Kaplan, (b) Instalasi turbin Kaplan (Sumber: Sunyoto, 2008, hlm; 431)

2.5

Instalasi Pembangkit Listrik Tenaga Air

Sebelum melakukan pembangunan pusat pembangkit listrik tenaga air, diperlukan uji kelayakan terhadap sumber air yang akan dimanfaatkan energi  potensialnya. Terutama ketersedian head  dan kapasitas terpenuhi dari bendungan

20

atau waduk untuk beban yang dirancang. Ada beberapa kategori head  tersedia yang diklasifikasikan, yaitu : 1.  Head tinggi (lebih dari 240 meter) 2.  Head sedang (30 – 240 meter) 3.  Head rendah (kurang dari 30 meter) Ilustrasi skema pembangkit listrik berdasarkan ketersedian head  ditunjukkan oleh Gambar 2.11.

Gambar 2.11 Tingkat head sumber air  (Sumber: Sunyoto, 2008, hlm; 411)

Setelah mengetahui ketersedian head  yang ada, selanjutnya menentukan  jenis turbin dan beban yang terpasang. Beban yang terpasang atau daya keluaran yang direncankan tidak boleh melampaui dari ketersedian energi potensial air, karena efisiensi maksimum operasi tidak akan tercapai dan dari segi ekonomis merugikan. Berikut ini klasifikasi dari jenis pembangkit dilihat dari daya keluaran turbin, ditunjukka n oleh tabel 2.1.

21

Tabel 2.1. Klasifikasi jenis pembangkit listrik tenaga air  Jenis Pembangkit Kapasitas Keluaran Daya  Large  –  hydro Sampai 100 MW  Medium  –  hydro 15 – 100 MW 1 – 15 MW Small  –  hydro  Mini  –  hydro 100 kW – 1 MW 5 kW – 100 kW  Micro  –  hydro  Pico  –  hydro Sampai 5 kW (Sumber: Sunyoto, 2008, hlm; 411)

Adapun bagian  –  bagian yang penting dari instalasi dari pembangkit listrik  tenaga air adalah sebagai berikut : 1. Pintu air  Bagian ini terletak pada pinggir bendungan/ waduk dan akan mengontrol kondisi air yang akan dialirkan. Air yang keluar harus dijamin bersih dari sampah  –  sampah seperti batang dan ranting pohon, batu dan kerikil atau sampah lainnya yang dapat membahayakan instalasi. Pada pintu air juga harus

dapat

menghentikan

laju

aliran

air,

apabila

saluran

harus

dikosongkan. 2. Saluran air  Bagian ini berfungsi menyalurkan air dari bendungan menuju turbin. Bentuk saluran dapat berbentuk saluran terbuka,  pressure  shaft , tunnel, atau  penstock. Saluran ini dibuat dengan cara penggalian atau pengeboran, dindingnya dengan dinding batu. Material penstock dari baja. 3. Turbin Turbin

berfungsi

mengubah

energi

potensial

fluida

menjadi

energi

mekanik yang kemudian diubah lagi menjadi energi listrik pada generator. Komponen  – komponen turbin yang penting adalah sebagai berikut :

22

a. Sudu pengarah, biasanya dapat diatur untuk mengontrol kapasitas aliran yang masuk turbin.  b. Roda jalan atau runner  turbin, pada bagian ini terjadi peralihan dari energi potensial fluida menjadi energi mekanik. c. Poros turbin, pada poros turbin terdapat runner  dan ditumpu dengan  bantalan radial dan bantalan aksial. d. Rumah turbin, biasanya berbentuk keong atau  spiral , berfungsi untuk  mengarahka n aliran masuk sudu pengarah. e. Pipa hisap (draft tube), mengalirkan air yang keluar turbin ke saluran luar. Skema instalasi pembangkit listrik tenaga air secara umum ditunjukkan oleh Gambar 2.12.

Gambar 2.12 Skema instalasi pembangkit listrik  (Sumber: Sunyoto, 2008, hlm; 413)

2.6

Kriteria Pemilihan Turbin

Pemilihan jenis, bentuk dan ukuran turbin berdasarakan kondisi dengan mengikuti kriteria sebagai berikut :

23

1. Tinggi tekan (head) Perbedaan kemiringan (elevasi) dari muka air antara hulu dengan hilir dari turbin disebut tinggi tekan (head), ilustrasi tinggi tekan pada instalasi turbin ditunjukkan oleh Gambar 2.13.

Gambar 2.13 Ilustrasi tinggi tekan pada turbin (Sumber: Penche, 1998, hlm; 178)

Klasifikasi penggunaan jenis turbin berdasarakan tinggi tekan (head) ditunjukkan oleh Tabel 2.2 dan Tabel 2.3. Tabel 2.2 Klasifikasi penggunaan jenis turbinBerdasarakan head   Head   Head   Head  Tinggi Menengah Rendah Turbin Pelton Cross-flow Cross-flow impuls Turgo Multi-jet pelton Turgo Turbin Francis Propeller  reaksi Kaplan (Sumber: Harvey et al, 1993) Tabel 2.3 Klasifikasi penggunaan jenis turbin  berdasarakan jangkuan head  Tipe Turbin Jangkauan Head (meter) Kaplan dan Propeller 2 – 40 Francis 10 – 350 Pelton 50 – 1300 Michell  – Banki 3 – 250 Turgo 50 – 250 (Sumber: Penche, 1998, hlm; 170)

24

2. Kecepatan putaran spesifik turbin Kecepatan

spesifik

merupakan

kriteria

utama

yang

menunjukkan

 pemilihan jenis turbin yang tepat berdasarkan karakteristik sumber air. Kecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan sebagai kecepatan ideal, persamaan geometris turbin, yang menghasilkan satu satuan daya tiap satu satuan head . Kecepatan spesifik turbin dapat diartikan

sebagai

titik

efisiensi

maksimum.

Perhitungan

tepat

ini

menghasilkan performa turbin dalam jangkauan head  dan debit tertentu. Kecepatan spesifik juga merupakan titik awal dari analisis desain dari sebuah turbin baru, kecepatan spesifik (ns) ditentukan menggunakan  persamaan berikut (Sumber: Dandekar & Sharma, 1991, hlm.397).

ns



 N P 5

............................................................................................. (2.1)

h4 Dengan : N = Putaran turbin (rpm) P = Daya turbin (HP) h = Tinggi tekan air effektif (head ) (m)

Setelah kecepatan spesifik yang diinginkan diketahui, penggunaan  jenis turbin menurut kecepatan spesifik ditunjukkan Tabel 2.4. Tabel 2.4 Penggunaan jenis turbin  berdasarakan kecepatan spesifik  Tipe Turbin Kecepatan Spesifik (ns ) Kaplan dan Propeller 250 – 1000 Francis 60 – 300 Pelton 2 – 25 Crossflow 40 – 200 (Sumber : www.clearinghouse.energiterbarukan.com/  pelaksanaan_elektro_mekanikal.html, 2013)

25

2.7

Dasar –  dasar Perhitungan Turbin

Dalam  perancangan

melakukan turbin

yang

perancangan

turbin

menjelaskan

diperlukan

urutan

tahapan  –  tahapan

perancangan

instalasi

turbin

 berdasarkan head, debit air, dan daya keluaran turbin, diagram alir  (flowchart)  perancangan instalasi turbin ditunjukkan oleh pada Gambar 2.14. START Daya turbin (kW), Debit air (m3 /dtk), Head (m), Kecepatan spesifik (rpm), dan  pemilihan jenis turbin

Perancangan penstock  , Perancanga n runner turbin, Segitiga kecepatan, Perancangan  spiral casin g , Perancangan poros turbin, Perancangan bantalan, dan Perancangan draft tube. Pemeriksaan penstock, Pemeriksaan runner , Pemeriksaan  spiral casin g , Pemeriksaan poros turbin, Pemeriksaan bantalan dan Pemeriksaan draft tube.

AMAN

T

Y

STOP

Gambar 2.14 Diagram alir perancangan instalasi turbin

Dasar  –  dasar perhitungan untuk merencankan turbin air sebagai pembangkit listrik adalah sebagai berikut : 1. Daya yang dihasilkan turbin air (P) dan efisiensinya (Sumber: Dietzel, 1980, hlm.2)

P  Q    g  h  T ............................................................................. (2.2)

26

T 

P Q g h

 100% .................................................................... (2.2a)

Dengan : P = Daya turbin (watt ) Q = Debit aliran air (m3 /dtk) ρ = Massa jenis air (1000 kg/m3 ) g = Gravitasi bumi (m/dtk 2 ) h = head efektif (m) ηT = Efisiensi turbin (%)

2. Kecepatan

serempak

generator

(N),

merupakan

variabel

dalam

menentukan putaran spesifik turbin, menentukan kecepatan serempak  generator sebagai berikut (Sumber: Dandekar & Sharma, 1991, hlm.397)  N 

60  f   p

............................................................................................. (2.3a)

atau  N 

120  f  Zp

...........................................................................................(2.3b)

Dengan : N = Kecepatan putar (rpm)  p = Jumlah pasangan kutub generator   f  = Frekuensi (Hz) Zp = Jumlah Kutub Jumlah pasangan kutub adalah setengah jumlah kutub generator (p) yang dapat diaplikasikan bersama dengan turbin air berjumalah antara 2  –  28 kutub, kecepatan putaran (N) untuk turbin berdasarkan frekuensi dan  jumlah kutub ditunjukkan Tabel 2.5.

27

Tabel 2.5 Kecepatan sinkron generator  Jumlah Frekuensi Jumlah Frekuensi Kutub Pasangan 50 Hz 60 Hz 50 Hz 60 Hz Kutub 2 3000 3600 16 375 450 4 1500 1800 18 333 400 6 1000 1200 20 300 360 8 750 900 22 272 327 10 600 720 24 250 300 12 500 600 26 231 277 14 428 540 28 214 257 (Sumber: Penche, 1998, hlm; 170)

2.7.1

Perhitungan Head effektif (h)

 Head  effektif adalah head  total dikurangi dengan kerugian  –  kerugian head , seperti kerugian head  yang ditimbulkan saringan masuk, kerugian akibat  bentuk sisi masuk  penstock , kerugian akibat gesekan dengan  penstock , kerugian yang ditimbulkan oleh katup, dan kerugian yang diakibatkan oleh belokan  penstock , head effektif dihitung dengan persamaan berikut :

h

 H  h LP  h e  h v  h f   h b  h rb  ................................................ (2.4)

Dengan: H

= tingi tekan air total (head gross) (m)

hLP = kerugian pada trashrack (m) he

= kerugian sisi masuk  penstock (m)

hv

= kerugian karena katup (m)

hf 

= kerugian akibat gesekan pada penstock (m)

h b

= kerugian akibat belokan pipa pesat (m)

hrb

= jarak sisi keluar roda jalan sampai tailrace (m)

Skema penentuan head  efektif dan kerugian  –  kerugian yang timbul ditunjukkan oleh Gambar 2.15.

28

Muka air atas

hLP + he + hv + hf  + hb

Bak Air 

Ф Garis miring hidrolik Trash rack  Turbin Kaplan

h

Penstock 

H

θ Muka air bawah Draft tube

hrb Gambar 2.15 Ilustrasi menentukan tinggi tekan efektif 

Selanjutnya menentukan besar kerugian  –  kerugian head  yang ditimbulkan oleh skema pada Gambar 2.15, dengan persamaan  – persamaan berikut : 1. Kerugian tinggi tekan akibat saringan sampah (trash rack) (hLP ) (Sumber: Dandekar & Sharma, 1991, hlm.349) 4

h LP

  t   3  V b   2

 K r      sin  ......................................................................(2.5)   b   2.g 

Dengan : hLP = Kehilangan energi pada saringan (m)

V b



Q A

K r 

= Koefisien kehilangan energi karena bentuk rak 

V b

= Kecepatan aliran sebelum memasuki rak  – rak (m/dtk)

t

= Tebal rak (mm)

 b

= Jarak rak (mm)

........................................................................................................ (2.6)

29

2. Kerugian tinggi tekan akibat bentuk sisi masuk pipa pesat (h e) (Sumber: Penche, 1998, hlm.39) he

 K e

Vp

........................................................................................... (2.7)

2.g

Dengan : he = Kehilangan energi pada sisi masuk  penstock (m) K e = Koefisien entrance losses g

= Percepatan gravitas i bumi (m/dtk 2 )

V p = Kecepatan aliran pada penstock (m/dtk)

3. Kerugian tinggi tekan akibat akibat katup (hv ) (Sumber: Penche, 1998, hlm.40)

hv

 K v

V p2 2.g

........................................................................................... (2.8)

Dengan : hv

= Kehilangan energi oleh katup (m)

K v = Koefisien valve losses = Percepatan gravitas i bumi (m/dtk 2 )

g

V p = Kecepatan aliran pada penstock (m/dtk)

4. Kerugian tinggi tekan akibat akibat gesekan pada  penstock  (hf ) (Sumber: Penche, 1998, hlm.27)

hf   f 

L.V p

2

D p .2.g

Dengan : hf 

......................................................................................... (2.9)

= Kehilangan energi oleh gesekan pada penstock (m)

f

= Numerical friction factor 

g

= Percepatan gravitas i bumi (m/dtk 2 )

30

L

= panjang pipa penstock (m)

D p = diameter penstock (m)

5. Kerugian tinggi tekan akibat akibat belokan pada  penstock  (h b) (Sumber: Warnick,1984, hlm.126) h b

c

Vp 2.g

............................................................................................(2.10)

Dengan : h b

= Kehilangan energi oleh belokan pada penstock (m)

c

= Koefisien kehilangan akibat belokan

g

= Percepatan gravitasi bumi (m/dtk 2 )

V p = Kecepatan aliran pada penstock (m/dtk)

6. Menentukan tinggi hisap (hrb) (Sumber: Dietzel, 1980, hlm.42)

h b

 h B  h D  Th  h  ....................................................................... (2.11)

Dengan : h b

= Tinggi hisap (m)

hB

=Tinggi tekanan barometer pada lokasi instalasi (m)

hD

= Tinggi tekanan uap (m)

Th = Koefisien kavitasi 2.7.2

Dimensi Penstock 

Dimensi  penstock  meliputi diameter  penstock , jarak pemasukan  penstock  dengan muka air atas, panjang  penstock , dan tebal  penstock  dihitung dengan  persamaan berikut : 1. Diameter  penstock  (DP ) dihitung dengan menggunakan persamaan berikut (Sumber: Warnick, 1984, hlm.127).

31

D p

 0,72  Q 0,5 ................................................................................... (2.12)

Dengan : D p = Diameter pipa pesat (m) ; Q = Debit aliran air (m3 /dtk) 2. Jarak pemasukan pipa pesat dari muka air atas (C P ) dihitung dengan menggunakan persamaan berikut (Sumber: Sukoco, 2011, hlm.52). CP



s D p

.............................................................................................. (2.13)

Dengan : s 

VP g.D p

............................................................................ (2.14)

3. Panjang  penstock  (LP ) dihitung dengan menggunakan persamaan berikut (Sumber: Warnick, 1984, hlm.127). 2

LP

 h  C p     h 2  C p     tan   

............................................................ (2.15)

4. Tebal penstock (tP ) dihitung dengan menggunaka n persamaan berikut (Sumber: Warnick, 1984, hlm.127).

t min 

D p  20 400

..................................................................................... (2.16)

Bentuk dan dimensi  penstock air ditunjukkan oleh Gambar 2.16

Dp L    p  

Dujp

Gambar 2.16 Notasi dimensi  penstock 

32

2.7.3

Poros

Poros adalah elemen putar yang biasanya terpasang elemen lain seperti roda gigi, puli, engkol dan pemindah gaya lainnya. Poros menerima beban lentur, tarik, puntiran yang bekerja sendiri maupun secara bersamaan. 1. Poros transmisi, mendapat beban puntir murni atau puntir dan lentura n. 2. Gandar, jenis beban yang diterima gandar adalah beban lentur, kecuali jika digerakkan oleh penggerak mula yang mendapat beban puntir. 3. Spindle, merupakan poros transmisi yang relatif pendek, seperti poros utama mesin perkakas, dimana beban utamanya berupa puntiran. Bentuk macam  –  macam poros berdasarkan pembebanan yang terjadi pada  poros ditunjukkan oleh Gambar 2.17.

(a)

(b) Gambar 2.17 Poros Tramsmisi (Sumber: Niemann, 1986, hlm; 328)

Perencanaan poros untuk poros yang mengalami beban puntir dan beban lenturan adalah sebagai berikut : 1. Daya rencana (Pd) dirumuskan sebagai berikut (Sumber: Sularso & Suga, 2004, hlm.7) :

Pd

 f c .P .............................................................................................. (2.17)

33

Dengan : Pd = Daya rencana (kW) f c



Faktor Koreksi

2. Persamaan yang digunakan untuk menghitung torsi (T) adalah sebagai  berikut (Sumber: Sularso & Suga, 2004, hlm.7) : T

Pd

 9.74  105

n

.................................................................................. (2.18)

Dengan : Pd = Daya rencana (kW) n = Putaran poros (rpm) 3. Diameter poros yang menerima beban puntir dan beban lengkung (d s) (Sumber: Sularso & Suga, 2004, hlm.18) : 1

3  2 2      5 . 1 d s    K m M   K t T   (mm) ........................................(2.19)    a  

Dengan: d s



Diameter poros (mm)

a  K m K t

Tegangan ijin bahan poros (kg/mm²)





Faktor koreksi momen lentur 

Faktor koreksi momen putir 

M = Momen lentur (kg.m); T = Torsi (kg.m) 4. Persamaan untuk mencari defleksi puntiran yang terjadi pada poros (Sumber: Sularso & Suga, 2004, hlm.18) :

  584

TL Gd S4

........................................................................................ (2.20)

Dengan : T = Torsi pada poros (kg.mm) L = Panjang poros (mm) G = Modulus geser bahan poros : 8,3 x 10 3 kg/mm2

34

2.7.4

Bantalan

Bantalan adalah elemen mesin yang menumpu poros berbeban, sehingga  putaran atau gerakan bolak   –  balik dapat berlangsung secara halus, aman, dan  panjang umur. Bantalan harus kokoh dan memungkinkan poros serta elemen mesin lainya dapat bekerja dengan baik. Jika prestasi bantalan tidak berfungsi dengan baik maka prestasi seluruh sistem akan menurun atau tidak bekerja sebagaimana mestinya. Klasifikasi bantalan dibedakan sebagai berikut : 1. Atas dasar gerakan bantalan terhadap poros. a. Bantalan luncur. Pada bantalan ini terjadi gesekan luncur antara poros dan bantalan karena permukaan poros ditumpu oleh permukaan bantalan dengan  perantara minyak pelumas.  b. Bantalan gelinding. Pada bantalan ini terjadi gesekan gelinding antara bagian yang berputar  dengan yang diam melalui elemen gelinding seperti bola (peluru), rol atau rol jarum, dan rol bulat. 2. Atas dasar arah beban terhadap poros a. Bantalan radial. Arah beban yang ditumpu bantalan ini adalah tegak lurus sumbu poros.  b. Bantalan aksial. Arah beban bantalan ini sejajar dengan sumbu poros. c. Bantalan geliding khusus. Bantalan ini dapat menumpu beban yang arahnya sejajar dan tegak  lurus sumbu poros.

35

Macam  –  macam bantalan geliding yang lazim digunakan pada konstruksi mesin ditunjukkan oleh Gambar 2.18.

Gambar 2.18 Macam – macam Bantalan Gelinding (Sumber: Sularso & Suga, 2004, hlm; 129)

Langkah  –  langkah perencanaan bantalan pada penopang turbin adalah sebagai berikut : 1. Perhitungan beban ekuivalen dinamis untuk bantalan radial (P) (Sumber: Sularso & Suga, 2004, hlm.135) :

Pr 

 XVFr   YFa .................................................................................. (2.21)

Dengan : Fr  = Beban Radial kg  Fa = Beban Aksial kg 

V, X, Y = Faktor Pembebanan

36

2. Perhitungan Beban Ekivalen Statis (Po) (Sumber: Sularso & Suga, 2004, hlm.135) : Untuk bantalan radial :

Po

 X o Fr   Yo Fa

Po

 Fr  , dan

................................................................................. (2.22)

diambil yang lebih besar 

Dengan : X o , Yo = Faktor Pembebanan Untuk bantalan aksial

Poa

 Fr   2,3Fa tan 

........................................................................... (2.23)

Dengan : X o , Yo = Faktor Pembebanan 3. Perhitungan Umur Nominal (L) (Sumber: Sularso & Suga, 2004, hlm.136) Faktor Kecepatan f n  : 33,3         n  

Bantalan Bola, f n

Bantalan Rol, f n

33,3         n  

1

3

............................................................. (2.24)

3 10

.............................................................. (2.25)

Faktor Umur  f h  : Bantalan Rol dan Bola, f h Umur Nominal

 f n

C P

....................................................... (2.26)

L h  adalah:  500f h3

.................................................................(2.27)

 500f h10 / 3

............................................................... (2.28)

Bantalan Bola, L h Bantalan Rol, L h

37

Untuk bantalan gelinding dengan media gelinding bola nomor nominal ditunjukkan oleh Tabel 2.6.

Tabel 2.6 Spesifikasi Bantalan gelinding dengan media gelinding bola

(Sumber: Sularso & suga, 2004, hlm; 141)

BAB III PERANCANGAN KONSTRUKSI DAN INSTALASI TURBIN AIR 

3.1

Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) Wonogiri

Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) Wonogiri merupakan salah satu unit pembangkit yang dimiliki oleh PT Indonesia Power dibawah Unit Bisnis Pembangkitan Mrica. PLTA Wonogiri diresmikan oleh Mentri Pertambangan dan Energi Ir. Soebroto, tanggal 3 Juni 1983. PLTA Wonogiri terletak di Desa Donoharjo, Kecamatan Wonogiri, Kabupaten Wonogiri, 83,3 km ke arah timur  dari Yogyakarta menuju kota Wonogiri, dan 2 km menuju PLTA Wonogiri. Pembangunan PLTA Wonogiri tidak terlepas dari adanya Bengawan Solo yang merupakan sungai terpanjang di Pulau Jawa kurang lebih 600 km, terletak pada wilayah Provinsi Jawa Tengah dan Jawa Timur. Masalah yang paling menonjol  pada musim hujan terjadi banjir dan pada musim kemarau terjadi kekeringan. Untuk menghilangkan sifat  –  sifat air yang merusak, dengan mengusahakan sedemikian rupa sehingga air berguna untuk kehidupan, maka pada tahun 1979 di  bangun Bendungan Serba Guna Gajah Mungkur. Selain tujuan utama dari proyek  ini yaitu sebagai pengendalian banjir dan irigasi, dibangun pula Pusat Listrik  Tenaga Air yaitu PLTA Wonogiri.

Pembangunan PLTA Wonogiri menjadi

 penting mengingat kebijakan pemerintah tentang energi, khusunya penggunaan  bahan bakar minyak (BBM). Proyek pengembangan wilayah Sungai Bengawan Solo adalah yang diserahi untuk menangani pembangunan PLTA Wonogiri

38

39

sebelum diserahkan pengelolaannya kepada PLN Pembangkitan dan Penyaluran Jawa Barat Sektor Tuntang. Unit Bisnis Pembangkitan Mrica sebagai salah satu unit bisnis pembangkitan yang di miliki oleh PT. Indonesia Power yang memiliki enam sub unit pembangkitan dan semuanya merupakan pembangkitan listrik  tenaga air dengan total kapasitas terpasang sebesar 306,49 MW yang dihasilkan oleh 27 mesin pembangkitan pada 15 lokasi PLTA antara lain : 1. PLTA PB. Soedirman dengan kapasitas terpasang

: 180,90 MW

2. PLTA Wonogiri dengan kapasitas terpasang

: 12,40 MW

3. PLTA Sempor dengan kapasitas terpasang

: 1,00 MW

4. PLTA Wadas Lintang dengan kapasitas terpasang

: 18,00 MW

5. PLTA Kedungombo dengan kapasitas terpasang

: 22,50 MW

6. PLTA Jelok dengan kapasitas terpasang

: 20,48 MW

7. PLTA Timo dengan kapasitas terpasang

: 12,00 MW

8. PLTA Garung dengan kapasitas terpasang

: 26,40 MW

9. PLTA Ketenger dengan kapasitas terpasang

: 8,09 MW

10. PLTA Kelambu dengan kapasitas terpasang

: 1,17 MW

11. PLTA Pejengkolan dengan kapasitas terpasang

: 1,40 MW

12. PLTA Sidorejo dengan kapasitas terpasang

: 1,40 MW

13. PLTA Tapen dengan kapasitas terpasang

: 0,75 MW

14. PLTM Siteki dengan kapasitas terpasang

: 1,20 MW

15. PLTM Plumbungan dengan kapasitas terpasang

: 1,80 MW

40

3.1.1 Komponen Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) Wonogiri

Untuk

membangkitkan

listrik

diawali

dengan

aliran

air

dari

waduk 

(reservoir), kemudian dialirkan melalui terowongan pacu hulu (head race/ tunnel) dan pipa pesat (penstock) menuju pusat pembangkit (power house). Diantara Terowongan pacu hulu dan pipa pesat dilengkapi dengan tangki pendatar  (surge tank) yang berfungsi untuk meredam adanya gejolak air  (water hammer). Skema Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) Wonogiri ditunjukkan oleh Gambar 3.1.

Gambar 3.1 Komponen sistem pembangkitan PLTA Wonogiri (Sumber: PLTA Wonogiri) 3.1.2

Waduk (Reservoir )

Waduk berfungsi untuk membendung air dari curah hujan dan beberapa anak sungai yang nantinya digunakan sebagai tenaga untuk memutar turbin. Bendungan

PLTA

Wonogiri

dengan

tipe

urugan

batu

dengan

inti

tegak 

didalamnya terdapat dinding kedap air sejenis urugan tanah yang dipadatkan sebagai inti (core). Waduk pada PLTA Wonogiri ditunjukkan oleh Gambar 3.2.

41

Gambar 3.2 Waduk Wonogiri (Sumber: PLTA Wonogiri)

Dengan data  –  data teknis dari Waduk yang digunakan oleh PLTA Wonogiri adalah sebagai berikut : a. Panjang Bendungan

= 1.440 m

 b. Elevasi puncak

= 142 mdpl

c. Tinggi air waduk minimum

= EL. 127 mdpl

d. Tinggi air waduk maximum

= EL. 137 mdpl

e. Luas genangan maximum

= 79,23 km²

f.

= 26,40 km²

Luas genangan minimum

Kapasitas Terpasang PLTA Wonogiri yang terdiri dari dua buah turbin ditunjukkan oleh tabel 3.1. Tabel 3.1 Kapasitas terpasang PLTA Wonogiri Power Plant

Number of Machine

Installed Capacity

PLTA Wonogiri

Unit 1

6,2 MW

PLTA Wonogiri

Unit 2

6,2 MW

Total (Sumber: www.indonesiapower.co.id, 2013)

12,4 MW

42

3.2 Spesifikasi Turbin

Adapun spesifikasi turbin Kaplan pada PLTA Wonogiri adalah sebagai  berikut (Sumber: PLTA Wonogiri) : a. Tipe

= Turbin Kaplan dengan Poros tegak 

 b. Daya keluaran a) Maksimal

= 6,5 MW

 b)  Normal

= 6,5 MW

c) Minimal

= 3,7 MW

c.  Head (tinggi jatuh) a) Maksimal

= 25,5 m

 b)  Normal

= 20,4 m

c) Minimal

= 15,1 m

d. Kapasitas aliran air (debit) a) Maksimal

= 28,43 m³/s

 b)  Normal

= 36,70 m³/s

c) Minimal

= 28,35 m³/s

e. Jumlah Turbin

= 2 (dua) unit

f.

= Ebara Corp. Japan tahun 1982

Pabrik pembuat

g. Spesifikasi Generator  a) Frequency

= 50 Hz

 b) Pole (kutub)

= 22 buah (11 pasang)

43

3.3

Kriteria Perancangan dan Pemilihan Jenis Turbin

Menentukan debit aliran air (Q) pada perancangan turbin air Kaplan  berdasarkan pada tinggi tekan efektif (h) dan daya turbin (P trbn). Daya turbin yang dihasilkan ditentukan menggunakan persamaan 2.2 :

Ptrbn Q

 Q    g  h  T Ptrbn

  g  h  T

Dengan:

Ptrbn = Daya turbin = 6,2 MW = 6200000 watt = 6200 kW ρ

= Massa jenis air = 1000 kg/m3

g

= Percepatan gravitasi bumi = 9,81 m/dtk 2

h

= Tinggi tekan air = 25,5 meter 

ηT

= Efisiensi turbin (87 – 94 %) = digunakan 87% = 0,87

Q

Maka :

6200000 1000  9,81 25,5  0,87

3 Q  28,48 m

dtk 

Menentukan kecepatan serempak generator, menggunakan persamaan 2.3a  N 

60.f   p

Dengan: p  f  Maka :  N 

= Jumlah kutub generator = 22 kutub = 11 pasang kutub = Frekuensi = 50 Hz 60.f   p



60  50 11

 N  272,73  273 rpm

44

Selanjutnya menentukan kecepatan spesifik (ns) turbin air dengan menggunakan  persamaan 2.1 :

ns



 N P 5

h4 Dengan: N

= Putaran turbin = 273 rpm

P

= Daya turbin = 6200 kW = 8314,2 HP (1 kW = 1,341 HP)

h

= Tinggi tekan air effektif = 25,5 meter 

Maka : n s



 N P 5



273 8314,2

h4

5

 434,407  434,41 rpm

25,5 4

Dari hasil perhitungan diatas diperoleh data  –  data awal untuk pemilihan  jenis turbin yang ditunjukkan oleh Tabel 3.2.

No

Tabel 3.2 Data awal pemilihan jenis turbin Variabel Nilai Kategori

1

Daya turbin (P trbn)

6200 kW

-

2

Tinggi tekan efektif (h)

25,5 m

Rendah (Kurang dari 30 meter)

3

Debit aliran air (Q)

28,48 m /dtk

-

4

Putaran Generator (N)

273 rpm

Generator PLN

5

Kecepatan spesifik (ns)

434,41 rpm

 Kaplan (250 – 1000 rpm)

Berdasarkan data awal pemilihan jenis turbin diperoleh kriteria pemilihan  jenis turbin yang akan digunakan adalah turbin jenis  Kaplan, digunakan untuk   pembangkit listrik

tenaga  small hydro digunakan pada aliran berasal dari

 bendungan dengan debit 28,48 m3 /dtk, tinggi tekan efektif yaitu 25,5 m, untuk  menggerakan generator listrik yang sesuai dengan generator yang digunakan oleh PLN (Perusahaan Listrik Negara), dengan keceptan spesifik 434,41 rpm. Kriteria  pemilihan turbin ditunjukkan oleh Gambar 3.3.

45

Gambar 3.3 Kriteria pemilihan turbin (Sumber: Penche, 1998, hlm; 76)

3.4

Prinsip Kerja Turbin Kaplan PLTA Wonogiri

Turbin air Kaplan tipe poros tegak yang digunakan PLTA Wonogiri dipergunakan sebagai penggerak awal pada Pusat Listrik Tenaga Air. Prinsip kerja turbin air Kaplan adalah merubah energi air dengan ketinggian dan debit tertentu (energi potensial air dan energi kinetik air) menjadi energi mekanik berupa  berputarnya

poros

turbin

yang

membawa

daya

untuk

memutar generator 

 pembangkit tenaga listrik. Kapasitas daya yang dihasilkan sebesar 6,2 MW setiap unit. Daya total dari dua unit pembangkit di PLTA Wonogiri adalah 12,4 MW. Turbin Kaplan pada PLTA Wonogiri ditunjukka n oleh Gambar 3.4.

46

Gambar 3.4 Turbin Kaplan PLTA Wonogiri (Sumber: PLTA Wonogiri)

3.5 Bagian-bagian Utama Turbin Kaplan

Bagian  –  bagian utama turbin air Kaplan terdiri dari komponen  –  komponen sebagai berikut : 1. Rumah Siput (spi ral casi ng) 

Bagian ini terbuat dari pipa baja yang mengelilingi runner blade, semakin ke ujung semakin mengecil sehingga berbentuk rumah siput. Hal ini  bertujuan agar air yang masuk kedalam turbin dapat terdistribusi merata dan menghindari kehilangan efisiensi. Bagian pangkal  spiral case dihubungkan dengan expansion join. Sambungan ini memberikan kelonggaran pada  spiral  case menuju  penstock  untuk memungkinkan bila terjadi pemuaian pipa ke arah aksial. Posisi dari inlet spiral casing  tergantung pada saluran langsung air  dalam  penstock  yang kemungkinan akan merubah keserasian penempatan. Bahan dari spiral casing tergantung pada ketinggian air jatuh, diantaranya :

47

a. Concrete tempa  steel plate lining untuk ketinggian sampai 300 meter.  b. Welded rolled steel plate untuk ketinggian sampai 100 meter. c. Cast steel untuk ketinggian air di atas 100 meter. Adapun bentuk rumah siput (spiral casing) ditunjukkan oleh Gambar  3.5 berikut :

Gambar 3.5 Spiral Casing Turbin  Kaplan (Sumber: PLTA Wonogiri) 2. Sudu Pengatur (gui de vane) 

Sudu pengatur yang terbuat dari baja tuang  stainless yang pejal terdiri dari dua buah trunion dan sebuah sirip sudu berbentuk lonjong dan ekornya tirus. Disusun secara teratur berbentuk lingkaran yang dapat bergerak, tiap sudu dihubungkan ke cincin pengatur. Sudu pengatur mengendalikan jumlah air yang mengalir ke turbin sesuai dengan posisinya. Bentuk sudu pengatur  ditunjukkan oleh Gambar 3.6.

48

Gambar 3.6 Gambar Sudu Pengatur  (Sumber: PLTA Wonogiri) 3. Sudu Gerak  (runner) 

Sudu gerak terbuat dari baja tuang yang ditempa secara vertikal dan merupakan bagian turbin yang berputar. Sudu gerak dikenai gaya radial dan gaya aksial. Fungsi sudu gerak adalah mengubah energi potensial ke kinetik  menjadi energi mekanik berupa putaran turbin. Sudu gerak pada poros dikopel  bersama  –  sama dengan baut tanam dan mur yang dikencangkan dengan  pengencang baut hidrolik. Bentuk sudu gerak ditunjukkan oleh Gambar 3.7.

Gambar 3.7 Gambar Sudu Gerak  (runner) (Sumber: PLTA Wonogiri)

49

4. Poros (Shaft) 

Poros terbuat dari baja tempa, memiliki sebuah flens kopling pada tiap ujungnya dan kolar terpadu untuk membentuk permukaan bantalan pengarah, fungsi poros turbin untuk meneruskan gaya mekanik dari sudu gerak  ke  generator . Bentuk poros ditunjukkan oleh Gambar 3.8.

Gambar 3.8 Gambar Poros Turbin (Sumber: PLTA Wonogiri) 5. Bantalan Pengarah

Bantalan berfungsi sebagai pemegang poros yang mampu menerima gaya radial dan gaya aksial dari poros. Antara poros dan bantalan terdapat celah (clearance) dimana pada waktu operasi akan terjadi lapisan minyak pelumas  bantalan (oil film) pada celah (clearance) tersebut. Pada Bantalan terdapat perapat bantalan (Sealing Bearing Turbine) yang  berfungsi untuk mengurangi atau memperkecil kebocoran air dari celah (clearance) antara poros turbin dan tutup turbin. Perapat bantalan yang digunakan yaitu carbon ring .

50

Jenis  – jenis bantalan turbin : a. Bantalan luncur  (guide bearing) digunaka n untuk menerima gaya radial dari poros.  b. Bantalan tekan (thrust bearing) digunakan untuk menerima gaya aksial dari poros. c. Bantalan kombinasi luncur dan tekan digunakan untuk menerima gaya radial dan gaya aksial dari poros.

6. Saluran Buang (Dr aft Tu be) 

Pipa hisap atau draft tube dipasang pada sisi keluar  runner  berfungsi untuk mengalirkan air yang keluar dari runner  ke saluran pembuangan (tail  race).  Draft tube pada turbin Kaplan di PLTA Wonogiri mempunyai bentuk  konis dengan penampang yang membesar ke arah sisi keluar  (divergent). Dengan bentuk ini akan diperoleh dua hal yang saling berkaitan, yaitu : 1. Kecepatan air pada sisi keluar lebih kecil daripada kecepatan air pada sisi masuk. 2. Tekanan pada sisi keluar lebih besar daripada tekanan pada sisi masuk, sehingga seolah  –  olah aliran air terhisap dari masuk ke sisi keluar, oleh karena itu disebut pula pipa hisap (draft tube). Bentuk  draft tube ditunjukkan oleh Gambar 3.9.

51

Gambar 3.9 Gambar  Draft Tube (Sumber: PLTA Wonogiri)

3.6

Peralatan Pendukung Kerja Turbin Kaplan 3.6.1 Governor

Governor adalah suatu peralatan yang dapat mengatur putaran turbin secara otomatis pada beban yang bervariasi, agar turbin tetap pada putaran yang ditentukan. Governor di PLTA Wonogiri merupakan jenis governor  Elektromekanis, berfungsi sebagai pusat kontrol peralatan bantu pada turbin untuk penggerak   servomot or  yang ada. Seperti ditunjukkan oleh Gambar  3.10.

52

Gambar 3.10 Peralatan Governor Hidrolik  (Sumber: PLTA Wonogiri)

Pada prinsipnya governor Turbin Kaplan pada PLTA Wonogiri merupakan governor Elektromekanis, dimana bandul mekanis (pendulum) digerakkan oleh motor listrik yang mendapat sumber listrik langsung dari  Permanent Magnet Generator (PMG). Apabila terjadi perubahan putaran lebih pada turbin, maka bandul sentrifugal akan naik dan mengakibatkan tuas A menekan tuas B. Dengan turunnya tuas B, maka torak distributor  minyak akan turun dan tekanan minyak akan menggerakkan torak   servomot or ,

kemudian

dengan

perantaraan

tuas

C,

gerakan

torak 

 servomot or  tadi akan menutup distributor turbin (menutup sudu atur pada turbin). Demikian pula sebaliknya apabila putaran turbin turun. Dalam keadaan normal, kedua saluran minyak ke  servmotor  akan tertutup oleh torak distributor minyak. Distribusi minyak tekan sebagai penggerak  sistem hidrolik di PLTA Wonogiri ini dihubungkan dengan perpipaan, katup dan kontrol. Apabila dikehendaki menaikkan/ menurunkan beban  pada turbin, maka dapat dilakukan dengan memperbesar/ memperkecil

53

volume minyak tekan yang disalurkan ke  servomot or  melalui distributor  minyak yang akan diatur alat pengatur beban (Governor). Skema kerja governor ditunjukkan oleh Gambar 3.11.

Gambar 3.11 Skema Oil Pressure Governor Elektromekanis (Sumber: PLTA Wonogiri)

Pada PLTA Wonogiri komponen bagian  –  bagian governor dan Alat  bantunya terdiri dari : 1. Pompa minyak tekan (oil sump tank) Pompa minyak tekan berfungsi untuk menyediakan dan menyalurkan minyak bertekanan menuju  pressure tank ke sistem governor. 2. Kompressor udara (Air Compressor) Kompressor udara berfungsi untuk mengkompressi atau menekan udara untuk mendorong minyak yang berfungsi sebagai penggerak  sistem hidrolik. Ada 2 (dua) unit air  compressor  di PLTA Wonogiri. Pada kompressor udara dilengkapi dengan tangki udara dan tangki  pengereman.

54

a. Tangki udara (air tank) berfungsi untuk menampung udara dari kompressor yang akan disalurka n menuju pressure tank.  b. Tangki pengereman (brake tank) untuk menampung udara yang digunakan untuk mengerem operasi turbin. 3.  Pressure tank   Pressure tank  merupakan tangki bertekanan berisikan minyak dari  sump

tank  dan udara dari kompressor yang berfungsi untuk 

mengalirkan minyak ditekan oleh udara menuju governor. Setiap unit masing  – masing dilengkapi dengan satu  pressure tank . 4. Sistem

penggerak

berfungsi

untuk

menggerakkan

tuas

torak 

distributor minyak tekan. 5. Distributor minyak tekan Distributor minyak tekan berfungsi untuk mendistribusikan minyak  tekan ke  servomot or , baik pada saat terjadi perubahan putaran turbin maupun pada saat menaikan/ menurunkan beban. 6. Akumulator berfungsi untuk menstabilkan tekanan minyak. 7. Katup operasi governor berfungsi untuk mengoperasikan governor. 8. Pembatas beban (load limit) Pembatas beban (load limit) berfungsi untuk membatasi beban sesuai dengan yang diinginkan.

3.6.2 Servomotor

Servomotor  adalah peralatan berupa tabung yang dilengkapi dengan torak dan diberikan tekanan minyak. Tekanan minyak (sistem hidrolis) dari

55

governor ini yang dapat mengubah posisi torak karena adanya perubahan volume minyak bertekanan dalam tabung. Adapun bagian  – bagian servomotor, yaitu : 1. Silinder, berfungsi sebagai rumah yang digunakan untuk memasukkan fluida yang bertekanan. 2. Torak, berfungsi sebagai penerus tekanan fluida yang telah diubah menjadi gaya gerak. 3. Batang torak, berfungsi sebagai pendorong torak. 4. Cincin torak, berfungsi sebagai perapat antara ruang silinder bagian depan dan belakang. 5. Katup perlambatan, berfungsi untuk memperlambat gerak   servomot or   pada saat – saat tertentu. 6. Perapat batang torak, berfungsi sebagai penyekat antara ruang didalam silider dengan udara. 7. Skala

penunjuk

langkah,

berfungsi

untuk

mengetahui

langkah

 servomotor yang telah dicapai. 8. Mekanisme

penghubung,

berfungsi

untuk

menghubungkan

batang

torak   servomot or  dengan komponen yang akan digerakkan seperti katup  MIV dan cincin pengatur  guide vane.

Pada PLTA Wonogiri, terdapat tiga macam  servomotor  yang  berfungsi untuk mengatur sistem kerja pada bagian komponen turbin yaitu antara lain adalah :

56

1. Servomotor   pada  Main Inlet

Valve, berfungsi untuk mengatur 

 pembukaan dan penutupan katup main inlet valve. 2. Servomotor  pada by-pass valve,  berfungsi untuk mengatur pembukaan dan penutupan katup by-pass valve secara mekanis hidrolis. 3. Servomotor  pada Guide Vane,  berfungsi sebagai pengatur pembukaan dan penutupan  guide vane yang dihubungkan melalui cincin  –  cincin  penghubung.

3.6.3 Alat Pendukung Kerja Alat Bantu Operasi Turbin

Pada PLTA Wonogiri sistem operasi turbin menggunakan berbagai komponen alat pendukung yang berfungsi untuk membantu kelancaran dan keamanan sistem kerja alat bantu turbin. Berikut adalah komponen  –  komponen alat bantu serta sistem kerjanya : 1. Grease Pump Grease

pump

adalah pompa yang berfungsi untuk memberikan

 pelumasan gemuk pada bearing  turbin dan bearing generator  serta  porosnya. Pada PLTA Wonogiri terdapat 4 unit  grease pump yaitu 2  grease pump untuk masing  –  masing unit. Setiap unit beroperasi secara bergantian dengan otomatis setelah unit yang sudah beroperasi lebih dahulu minyaknya telah habis. 2. Sand Separator , berfungsi untuk menyaring partikel  –  partikel halus  pada air saat memasuki  penstock  sebelum masuk ke dalam turbin. Sand separator  dihubungkan dengan pipa  –  pipa dari penstock ke  sand separator nya.

57

3. Water Strainer  Water strainer   berfungsi untuk membantu  sand separator  sebagai  penyaring atau pemisah antara air yang masuk ke turbin dengan kotoran/ pasir  – pasir. 4.  Booster Pump  Booster

pump  berfungsi sebagai penguat atau membantu  sand 

 separator  dan water strainer  yang digunakan untuk menyaring air dari  partikel  –  partikel halus seperti pasir, lendut yang nantinya air itu digunakan sebagai media pendingin/  sealing water  bantalan turbin dan  porosnya, booster pump juga berfungsi untuk memompakan air ke drainage pump agar air tidak masuk ke dalam bantalan turbin. Pada PLTA Wonogiri terdapat 2 unit booster pump. 5.  Drainage Pump  Drainage pump berfungsi untuk memompakan/ membuang air sisa  pembangkitan yang tadinya ditampung di tangki penampung paling  bawah, letaknya dibawah draft tube, yang kemudian dipompakan ke atas ke saluran buang atau tail race. 6. Alat-alat ukur yang terpasang pada turbin air dan alat bantu meliputi : manometer , vacuum meter , thermometer , flow meter , vibrasi meter .

58

3.7

Skema Instalasi Turbin Kaplan

Skema instalasi turbin Kaplan sebagai penggerak generator pembangkit listrik tenaga air (PLTA) wonogiri, terdiri dari: bak penapung air, trash rack ,  penstock , dan draft tube. Bagian  – bagian tersebut ditunjukkan oleh Gambar 3.12. Muka air atas

hLP + he + hv + hf  + hb

Bak Air 

Ф Garis miring hidrolik Trash rack  Turbin Kaplan

h

H

Penstock 

θ Muka air bawah Draft tube

hrb

Gambar 3.12 Skema instalasi turbin kaplan (Sumber: Penche, 1998, hlm; 178)

3.8 Dimensi Penstock 

Dimensi  penstock  meliputi diameter  penstock , jarak pemasukan  penstock  dengan muka air atas, panjang  penstock , dan tebal  penstock . Dihitung dengan  persamaan berikut : 1. Diameter penstock (DP ) dihitung dengan menggunaka n persamaan :

D p

 0,72  Q 0,5

Dengan : Q = Debit aliran air = 28,48 m3 /dtk  Maka : D p

 0,72  Q 0,5  0,72  28,480,5  3,842

m  3842 mm

59

2. Jarak pemasukan pipa pesat dari muka air atas (CP ) dihitung dengan menggunakan persamaan : CP



s D p

Dengan : V p = Laju aliran didalam  penstock (m/dtk)

VP



Q



A p

Q 1 4

D p2 VP

Sehingga : s 

Maka : C P





g.D p

s D p



28,48

 2,46 m dtk  11,58 2,46



9,81 3,842

0,40 3,842

 0,40

 0,10 m

3. Panjang  penstock (LP ) dihitung dengan menggunakan persamaan berikut : 2

LP

 h  C p     h 2  C p     tan   

Dengan : θ = Sudut elevasi  penstock = 40° 2

Maka : L P

 h  C p     h 2  C p     tan    2

LP

25,5  0,10        25,5 2  0,10  39,58 meter    tan 40   

4. Tebal penstock (tP ) dihitung dengan menggunaka n persamaan berikut :

t min



Dp

 20 3842  20   9,66  12,7 mm

400

400

60

3.9

Kerugian Tinggi Tekan (head losses)

Kerugian tinggi tekan (head losses) pada instalasi turbin  Kaplan  bertujuan untuk mengetahui tinggi tekan total (head gross) dari instalasi turbin  Kaplan, adapaun kerugian tinggi tekan yang dihitung adalah: kerugian tinggi tekan akibat trash rack , sisi masuk   penstock , gesekan dengan  penstock , kerugian yang ditimbulkan oleh katup, dan kerugian yang dikaibatkan oleh belokan  penstock. 1. Kerugian tinggi tekan akibat saringan sampah (trash rack) (hLP ) dihitung menggunakan persamaan 2.5 : 4

h LP

2 t   3  V b      K r     sin    b   2.g 

Sedangkan harga K r  sesuai dengan bentuk kisi saringan datar yaitu 2,42 seperti ditunjukkan oleh Tabel 3.3 dibawah ini Tabel 3.3 Koefisien bentuk kisi

(Sumber: Dandekar & Sharma, 1991, hlm; 350) Dengan : V b

= Kecepatan aliran sebelum memasuki rak-rak (m/dtk)

Lsal = Lebar saluran = 5,5 m (Sumber: PLTA Wonogiri) tsal

= Tinggi air dari dasar = 5,5 m (Sumber: PLTA Wonogiri)

t

= Tebal rak =10 mm = 0,01 m

61

 b

= Jarak rak = 25 mm = 0,025 m

Sehingga : V b



Q A b



Q L sal t sal



28,48 5,5  5,5

 0,941

m

dtk 

4

2 t   3  V b      K r      sin    b   2.g 

Maka : h LP



3

h LP

0,9412     0,01   4    sin  2,42   0 , 025 2 9 , 81         

h LP

 0,047 m

60



Ilustrasi kerugian tinggi tekan yang diakibatkan oleh trash rack  ditunjukkan oleh Gambar 3.13.

Gambar 3.13 Kehilangan-kehilangan pada rak  (Sumber: Dandekar & Sharma, 1991, hlm; 349)

2. Kerugian

tinggi

tekan

akibat

bentuk

sisi

masuk   penstock 

menggunakan persamaan 2.7. he

 K e

Vp 2.g

Dengan : he

= Kehilangan energi pada sisi masuk  penstock (m)

K e = Koefisien entrance losses = 0,8 g

= Percepatan gravitasi bumi = 9,81 m/dtk 2

V p = Kecepatan aliran pada penstock  = 2,46 m/dtk 

(he)

62

Maka : he

 K e

Vp 2.g

 0,8

2,46 2  9,81

 0,10

m

Harga koefisien entrence losses (K e) ditunjukkan Gambar 3.14.

Gambar 3.14 Koefisien entrence losses (K e) (Sumber: Penche, 1998, hlm; 39)

3. Kerugian tinggi tekan akibat akibat katup (hv ) dengan persamaan berikut :

hv

 K v

V p2 2.g

Dengan : hv

= Kehilangan energi oleh katup (m)

K v = Koefisien valve losses = 0,6 g

= Percepatan gravitasi bumi = 9,81 m/dtk 2

V p = Kecepatan aliran pada penstock = 2,46 m/dtk 

Maka : h v

 K v

V p2 2.g

 0,6 

2,46 2 2  9,81

 0,185

m

Harga koefisien valve losses (K v ) ditunjukkan Gambar 3.15 dibawah ini :

Gambar 3.15 koefisien entrence losses (K e) (Sumber: Penche, 1998, hlm; 40)

63

4. Kerugian

tinggi

tekan

akibat

akibat

gesekan

pada  penstock  (hf )

menggunakan persamaan berikut :

hf   f 

L.V p

2

D p .2.g

Dengan : f

= Numerical friction factor (Diagram moodys) = 0,017 = Percepatan gravitasi bumi = 9,81 m/dtk 2

g

V p = Kecepatan aliran pada penstock = 2,46 m/dtk  L p = panjang pipa penstock = 39,58 meter  D p = diameter  penstock = 3,842 meter  a. Menentukan

numerical

friction

factor  menggunakan

persamaan

(Sumber: Penche, 1998, hlm.30) berikut : f  

64  NR 

 b.  Reynold Number  (NR) menggunakan persamaan (Sumber: Penche, 1998, hlm.25- 26) :  NR  

D p Vp



  Viskositas kinematik  air  pada 20 C 

Maka:  NR  

3,842  2,46 1  10

6

Maka: hf   f 

2

D p .2.g

2

dtk 

 9,45  10 6

 Relative pipe roughness adalah:

L p .V p

1,0  10 6 m

 0,012

 D p



0,6 3842

 1,56  10 4

39,58  2,46 2 3,842  2  9,81

 0,038 meter 

64

Tinggi kekasaran pipa (ε) ditentukan berdasarkan jenis material  pipa berupa welded steel  seperti ditunjukkan Tabel 3.4, sedangkan harga f  dan relative pipe roughness ditentukan berdasarkan harga NR, ε, dan Dp dengan menggunakan Diagram  Moody yang ditunjukkan Gambar 3.16. Tabel 3.4 Tinggi kekasaran pipa Pipe Material Polyethylene Fiberglas with epoxy Seamless commercial steel (new) Seamless commercial steel (light rust) Seamless commercial steel (galvanised) Welded steel Cast iron (enamel coated) Asbestos cement Wood stave Concrete (steel forms, with smooth joints) (Sumber: Penche, 1998, hlm; 28)

0,012

Gambar 3.16 Diagram moody (Sumber: Penche, 1998, hlm; 29)

ε (mm) 0,003 0,003 0,025 0,250 0,150 0,600 0,120 0,025 0,600 0,180

65

5. Kerugian

tinggi

tekan

akibat

akibat

belokan

pada  penstock  (h b)

menggunakan persamaan : h b

c

Vp 2.g

Dengan : h b

= Kehi Ke hilangan langan energi oleh belokan be lokan pada pad a penstock (m  penstock  (m))

c

= Koefi Ko efisien sien kehilanga kehilangan n akibat belokan beloka n (R/D p =1) = 0,11

g

= Percepata Perc epatan n gravi gravitasi tas i bumi bumi = 9,81 m/dtk 2

V p = Kecepa Ke cepatan tan ali aliran pada penstock  pada penstock = = 2,46 m/dtk  Maka : h b

c

Harga

Vp 2.g

 0,11

koefisien

2,46 2  9,81

 0,013

kehilangan

m

tinggi

tekan

akibat

belokan

(c)

ditentukan berdasarkan R/D = 1 dengan besar sudut belok 40° sehingga diperoleh harga c sebesar sebe sar 0,11 ditunjukka ditunjukkan n diagram diagram pada pad a Gambar Gambar 3.17. 3.17 .

Gambar 3.17 Koefi Ko efisien sien kerug ker ugian ian head hea d untuk untuk beloka b elokan n pipa (Sumber: Warni War nick, ck, 1984, 198 4, hlm; hlm; 126) 126 )

66

6. Mentukan tinggi hisap (hrb) dengan mengg mengguna unaka kan n pers p ersamaan amaan berikut :

h r  b

 h A  h V  Th  h 

hA

 Ketinggian lokasi instalasi 500 m

hV = Ti Tinggi nggi tekanan uap pada temperature 25 ºC = 0,324 m Harga hA dan hV sesuai dengan ketinggian instalasi turbin dan tempertatur tekanan uap seperti ditunjukka ditunjukkan n oleh Tabel 3.4 berikut berikut : atmosfer dan variasi tekan tek an uap Tabel 3.4 Tekan atmosfer

( (Sumber: Warni War nick, ck, 1984 1 984,, hlm; hlm; 112) 112 ) Sedangkan

koefisien

kavitasi

ditentukan

dengan

 persamaan  persamaan beriku berikutt (Sum (Sumber: Warni Warnick, 1984, hl hlm.110) : Th



n 1s, 64 50227

Dengan : ns Maka : Th

= Putaran spesifi spesifik = 434,41 rpm



n 1s,64 50227



434,411,64 50227

 0,422

menggunakan

67

Turbin direncanakan beroperasi pada suhu 25 0C, maka berdasarkan tabel tab el tekanan tekanan atmosfer dan variasi tekanan tek anan uap harga harga dari hV = 0,324 m

Sehingga : h A

hA

0,0065  h   9,751  1   288    

5, 25 6

0,0065  25,5   9,751  1   288    

5, 25 6

 9,722

m

Selanjutnya menentukan nilai tinggi hisap (hrb) :

h r  b

 9,722  0,324  0,421 25,5  1,337 m

Total kerugian tinggi tekan (total  ( total  head losses) losses) pada skema instalasi turbin  Kaplan yang direncanaka direncanak a n ada a dalah lah :

h tot

 h LP  h e  h v  h f   h b  h rb

h tot

 0,047  0,10  0,185  0,038  0,013  1,337  1,72 m

Maka head  total tota l (H), menjadi menjadi :

H  h  h LP

 h e  h v  h f   h b  h rb   25,5  1,72  27,22 m

BAB IV

PERANCANGAN KOMPONEN UTAMA TURBIN KAPLAN

4.1

Diagram Alir (flowchart) Perancangan

Tahap  –  tahapan perancangan komponen  –  komponen utama pada turbin  Kaplan yang akan digunakan pada pembangkit listrik yang diaplikasikan pada PLTA Wonogiri ditunjukka n oleh diagram alir  (flowchart) pada Gambar 4.1. START Daya turbin (Ptrbn) Debit air (Q)

= 6200 kW = 28, 48 m3 /dtk 

Kecepatan spesifik (n s)

= 434, 41 rpm

Perancangan pen stock  Perancangan spiral casin g  Perancangan runner turbin kaplan Segitiga kecepatan Perancangan poros Perancangan draft tube

     

 

Pemeriksaan Poros Pemerikasaan Bantalan

AMAN

T

Y

STOP

Gambar 4.1 Diagram alir perancangan

68

69 4.2

Menghitung Ukuran Utama dari Sudu gerak  (runner) 

Data  –  data yang sudah diketahui untuk melakukan perhitungan dimensi sudu gerak  (runner) pada turbin Kaplan adalah sebagai berikut : a. Daya turbin (P trbn)

= 6200 kW

 b. Debit aliran air (Q)

= 28,48 m3 /dtk 

c. Tinggi tekan efektif (h)

= 25,5 meter 

Langkah  –  langkah perhitungan untuk menentukan dimensi runner  adalah sebagai berikut : 1. Menentukan diameter luar  runner (D1 ) (Sumber: Dietzel, 1980, hlm.58) : D1



60  u 1

 n

Dengan: n u1

= putaran generator = 273 rpm = kecepatan tangensial masuk pada sisi luar sudu (m/dtk)

a. Menentukan kecepatan tangensial masuk sudu pada sisi luar sudu dengan menggunakan persamaan sebagai berikut (Sumber: Dietzel, 1980, hlm.58) :

u1

 u *1  2  g  h

Dengan: u *1

 1,468

(diperoleh berdasarkan grafik yang ditunjukkan

oleh Gambar 4.2)  b. Menentukan

kecepatan

spesifik

berdasarkan

debit

menggunaka n persamaan (Sumber: Dietzel, 1980, hlm.58) : nq  n

Q h

0 , 75

 273

28,48 25,5

0 , 75

 128,39

l

menit

aliran

air 

70

 u *1  2  g  h

Maka: u 1

u1

Sehingga: D1

 1,468  

60  u1

 n

2  9,81 25,5



60  32,84 3,14  273

 u1  32,84 m dtk 

 2,298  2,3 meter 

Grafik untuk menentukan harga u* 1 dan u* N berdasarkan harga nq ditunjukkan oleh Gambar 4.2 2,0 1,8

u*1 = 1,468

u*N = 0,612 c*m2 = 0,484 c*m pengarah = 0,209

u*1

1,6

z

1,4

7

1,2

6

1,0

5

0,8

u*N

0,6

4

c*m2

0,4

c*m pengarah

0,2 0 0

20

40

60

80

100 120 140 160 180 200 220 240

nq = 128,39 nq

Gambar 4.2 Harga untuk menentukan ukuran  – ukuran pokok turbin Kaplan (Sumber: Dietzel, 1980, hlm; 21)

c. Menentukan harga u N (kecepatan tangensial masuk sudu pada leher   poros) dengan menggunakan persamaan (Sumber: Fritz Dietzel, 1980, hlm.58) :

u N

 u * N  2  g  h

71

u N

 0,612  2  9,81 25,5  u N  13,69

m

dtk 

d. Menentukan diameter leher poros (D N), menggunakan persamaan  berikut ini (Sumber: Dietzel, 1980, hlm.58) D N



60  u N

 n

Dengan : n = putaran generator = 273 rpm u N = kecepatan tangensial masuk leher poros = 13,69(m/dtk)



Maka : D N e. Menentukan

60  13,69

  273 harga

 0,95

cm

meter 

(kecepatan

meridian

pengarah)

dengan

menggunaka n persamaan (Sumber: Dietzel, 1980, hlm.58) :

c m  peng arah

 c *m  peng arah  2  g  h

cm  0,209  2  9,81 25,5 f.

 cm1  4,67 m dtk 

Menentukan kecepatan meridian keluar sudu (c 2m = c2 ) harga cm  pengarah dengan menggunakan persamaan (Sumber: Dietzel,1980, hlm.58) :

c 2m

 c2 

Q A

Dengan: A 

 4

 D12  D N2  

3,14 4

 2,32  0,95 2   3,44

Q = Debit aliran air = 28,48 m3 /dtk  Maka: c 2 m

 c2 

Q A



28,48

 8,28 m dtk  3,44

m2

72 g. Dengan cu2 = 0 karena c2 pengeluaran yang tegak lurus maka kecepatan mutlak masuk sudu pada arah u (c u1) ditentukan dengan menggunaka n persamaan (Sumber: Dietzel, 1980, hlm.58) :

c u1



T  g  h u

Dengan: u M 

 u1  u N  / 2  32,84  13,69 / 2  23,27

m

dtk 

Q = Debit aliran air = 28,48 m3 /dtk  ηT = Efisiensi turbin (87 – 94 %) = digunakan 87% = 0,87 Maka: c u1



0,87  9,81 25,5

2. Harga  –  harga

23,27 yang

telah

 9,35 m dtk 

diketahui

untuk

penggambaran

segitiga

kecepatan pada bagian tengah runner adalah sebagai berikut : uM = 23,27 m/dtk, c 2 = 8,28 m/dtk, segitiga kecepatan pada bagian tengah runner  bagian ke luar digambarka n seperti pada Gambar 4.3:

Gambar 4.3 Segitiga kecepatan pada bagian tengah runner   bagian keluar 

73 a. Menentukan harga w2 (kecepatan aliran air relatif keluar sudu)  pada Gambar 4.3 menggunaka n persamaan berikut :

w 2 2  c 2 2  u 2 2

w 2 2  8,282  23,272  610,05 w2

 24,70 m dtk 

 b. Menentukan sudut β 2 pada bagian luar menggunakan persamaan  berikut :

tan  2



C 2 U  M 



8,28 23,27

 0,356

 2  tan 1 2  tan 1 0,356  19,60 3. Harga  –  harga

yang

telah

diketahui



untuk

penggambaran

segitiga

kecepatan pada pada bagian tengah runner adalah sebagai berikut : uM = 23,27 m/dtk, cu1 = 9,35 m/dtk, c 2 = 8,28 m/dtk, segitiga kecepatan  bagian tengah runner  bagian masuk dan keluar pada Gambar 4.4 :

Gambar 4.4 Segitiga kecepatan pada bagian tengah runner   pada bagian keluar dan masuk 

74 a. Menentukan harga w1 dan c1 pada Gambar 4.4 menggunakan  pengukuran langsung atau metode grafik pada gambar diperoleh harga w1 dan c1 :

w1 c1

 16,20 m dtk 

 12,49 m dtk 

 b. Menentukan sudut β 1 pada bagian masuk menggunakan persamaan  berikut :

tan  1



c1 u M 



12,49 23,27

 0,537

1  tan 1 1  tan 1 0,537  28,24 4. Harga  –  harga

yang

telah

diketahui



untuk

penggambaran

segitiga

kecepatan pada bagian luar  runner adalah sebagai berikut : u1 = 32,84 m/dtk, c 2 = 8,28 m/dtk, segitiga kecepatan pada bagian luar  runner  bagian keluar digambarka n seperti pada Gambar 4.5 :

Gambar 4.5 Segitiga kecepatan pada bagian luar  runner bagian keluar 

75 a. Menentukan harga w2 pada bagian luar  runner  bagian keluar  Gambar 4.5 menggunaka n persamaan berikut :

w2 2  c2 2  u1 2  8,282  32,842  1147,03 w2

 33,87 m dtk 

c. Menentukan sudut β 1 pada bagian luar  runner  bagian keluar  menggunakan persamaan berikut :

tan  2



c2 u1



8,28 32,84

 0,252

 2  tan 1  2  tan 1 0,252  14,14 5. Harga  –  harga

yang

telah

diketahui



untuk

penggambaran

segitiga

kecepatan pada pada bagian luar  runner  adalah sebagai berikut : u1 = 32,84 m/dtk ; c2 = 8,28 m/dtk 

c u1



0,87  9,81 25,5

Segitiga

32,84 kecepatan

 6,63 m dtk 

bagian

luar  runner  bagian

masuk

dan

digambarkan pada Gambar 4.6 :

Gambar 4.6 Segitiga kecepatan pada bagian luar  runner   pada bagian keluar dan masuk 

keluar 

76 a. Menentukan

harga

w1

dan c1

pada

Gambar

4.4

menggunakan

 pengukuran langsung pada gambar atau metode grafik diperoleh harga w1 dan c1 :

w1 c1

 27,47 m dtk 

 10,61 m dtk 

 b. Menentukan sudut β 1 pada bagian masuk menggunakan persamaan  berikut : tan 1

  1



c1 u1



10,61 32,84

 0,317

 tan 1  1  tan 1 0,317  17,60

6. Harga  –  harga

yang

telah



diketahui

untuk

penggambaran

segitiga

kecepatan pada bagian leher poros adalah sebagai berikut : u N = 13,69 m/dtk, c 2 = 8,28 m/dtk, segitiga kecepatan pada bagian leher   poros bagian keluar digambarkan seperti pada Gambar 4.7 :

Gambar 4.7 Segitiga kecepatan pada bagian leher poros  bagian keluar 

77 a. Menentukan harga w2 pada bagian luar  runner  bagian keluar Gambar  4.7 menggunakan persamaan berikut :

w2 2  c2 2  u N  2  8,282  13,692  255,97 w2

 16,00 m dtk 

 b. Menentukan

sudut

β1

pada

bagian

luar  runner  bagian

keluar 

menggunakan persamaan berikut :

tan  2



c2 u2



8,28 13,69

 0,605

 2  tan 1  2  tan 1 0,605  31,17 7. Harga  –  harga

yang

telah

diketahui



untuk

penggambaran

segitiga

kecepatan pada pada leher poros adalah sebagai berikut : u N = 13,69m/dtk  c2 = 8,28 m/dtk 

c u1



0,87  9,81 25,5 13,69

 15,90 m dtk 

Segitiga kecepatan pada leher poros bagian masuk dan keluar digambarkan  pada Gambar 4.8 :

78

Gambar 4.8 Segitiga kecepatan pada bagian leher poros  pada bagian keluar dan masuk 

a. Menentukan

harga

w1

dan c1

pada

Gambar

4.8

menggunakan

 pengukuran langsung pada gambar diperoleh harga w 1 dan c1 :

 8,57 m dtk 

w1

 17,98 m dtk 

c1

 b. Menentukan sudut β 1 pada bagian masuk menggunakan persamaan  berikut :

tan  1

  1



c1 u N 



17,98 13,69

 1,31

 tan 1  1  tan 1 1,31  52,64

8. Menentukan

lebar  runner  (BX) menggunakan persamaan berikut ini

(Sumber: Dietzel, 1980, hlm.59) : BX



D1 2





DN 2

79 Dengan : D1 = Diameter luar  runner  = 2,3 meter  D N = Diameter leher poros = 0,95 meter  Maka : B X



2,3 2



0,95 2

 0,68

meter 

9. Menentukan diameter tengah runner  (Dx ) menggunakan persamaan berikut ini (Sumber: Dietzel, 1980, hlm.59) :

DX

 B X  D N

Dengan : BX = Lebar  runner = 0,68 meter  D N = Diameter leher poros = 0,95 meter  Maka : D X

 0,68  0,95  1,63 meter 

10. Menentukan tinggi sudu pengarah (b) menggunakan persamaan berikut ini (Sumber: Dietzel, 1980, hlm.53) :

Q  D M    b  c m Dengan : DM = DX = 1,63 meter  cm

= Kecepatan pengarah = 4,67 m/dtk 

Q

= Debit aliran air = 28,48 m3 /dtk 

Maka :  b 

Q DM    cm



28,48 1,63  3,14  4,67

 1,19 meter 

80 Hasil perhitungan dimensi utama turbin kapal diringkas dalam Tabel 4.1  berikut ini : Tabel 4.1 Ringkasan hasil perhitungan dimensi turbin Kaplan β1 D u c1 w1 c2 w2 Bagian meter m/dtk m/dtk m/dtk derajat m/dtk m/dtk Leher poros 0,95 13,69 17,98 8,57 64,5 8,28 16,00 Tengah runner  1,63 23,27 12,49 16,20 28,24 8,28 24,70 Luar  runner  2,3 32,84 10,61 27,47 17,60 8,28 33,87

Bentuk penampang runner  turbin Kaplan ditunjukkan oleh Gambar 4.9  berikut ini :

Gambar 4.9 Dimensi runner  turbin Kaplan (Sumber: Dietzel, 1980, hlm; 54)

4.3

Menghitung Ukuran Utama Rumah Turbin (Spir al Casi ng  )

Merencanakan ukuran  –  ukuran dari  spiral casing , dalam hal ini D1 = 2,3 meter dengan kecepatan spesifiknya ns = 434,41 rpm. Selubung  scroll  dengan plat  baja tebal 12  –  20 mm bahannya adalah Baja Siemens Martin A37 T25 yang sudah dipabrik, sehingga secara keseluruhan berbentuk  spiral (Sukoco, 2011:65).

β2 derajat 31,17 1,60 14,14

81 4.3.1

Kecepatan pada sisi masuk  spir al casi ng 

Kecepatan pada sisi masuk   spiral casing  dicari dengan rumus (Sumber: Warnick, 1984, hlm.133) :

v SC

 844  n s0, 44

Dengan: vSC ns

= kecepatan pada sisi masuk  spiral casing  = kecepatan spesifik (434,41rpm)

Maka : Vsc  844  n s0, 44

 844  135,110.44  58,32 m dtk 

Bentuk pandangan atas rumah turbin (spiral casing) ditunjukkan oleh Gambar 4.10 berikut ini :

Gambar 4.10 Pandangan Atas Spiral Casing  (Sumber: Warnick,1984, hlm; 134) 4.3.2

Spir al Casi ng Dari Pandangan Atas:

1. Ukuran pada bagian A (meter) pada  spiral casing  yang ditunjukkan oleh Gambar 4.10 (Sumber: Warnick, 1984, hal.135) yaitu : A D1

 19,5    1,2   n   s  

82 Dengan : A = ukuran pada bagian A (m) D1 = diameter sisi masuk rumah keong (2,3 m) ns = kecepatan spesifik (434,41) Maka :

  19,5    1,2    2,3  434,41  A

   

Sehingga : A  2,3  1,2 

    2,66 meter  434,41  19,5

2. Ukuran pada bagian B (meter) pada  spiral casing  yang ditunjukkan oleh Gambar 4.10 (Sumber: Warnick, 1984, hal.135) yaitu : B D1

 54,8    1,1   n   s  

Dengan : B

= ukuran pada bagian B (m)

D1 = diameter sisi masuk rumah keong (2,3 m) ns = kecepatan spesifik (434,41rpm) Maka :

  54,8    1,1    2,3 434 , 41     B

   

Sehingga : B  2,3  1,1 

    2,82 meter  434,41  54,8

3. Ukuran pada bagian C (meter) pada  spiral casing  yang ditunjukkan oleh Gambar 4.10 (Sumber: Warnick, 1984, hal.136) yaitu :

 49,25    1,32   D1 n   s   C

83 Dengan : C = ukuran pada bagian C (m) D1 = diameter sisi masuk rumah keong (2,3 m) ns = kecepatan spesifik (434,41rpm) Maka :

  49,25    1,32    2,3  434,41  C

   

Sehingga : C  2,3  1,32 

49,25  

  3,30

434,41 

meter 

4. Ukuran pada bagian D (meter) pada  spiral casing  yang ditunjukkan oleh Gambar 4.10 (Sumber: Warnick, 1984, hal.136) yaitu :

 48,8    1,50   D1 n   s   D

Dengan : D

= ukuran pada bagian D (m)

D1 = diameter sisi masuk rumah keong (2,3 m) ns Maka :

= kecepatan spesifik (434,41 rpm)

  48,8    1,5    2,3 434 , 41     D

   

Sehingga : D  2,3  1,5 

    3,71 434,41  48,8

meter 

5. Ukuran pada bagian E (meter) pada  spiral casing  yang ditunjukkan oleh Gambar 4.10 (Sumber: Warnick, 1984, hal.136) yaitu :

 63,60    0,98   D1 n   s   E

Dengan : E

= ukuran pada bagian E (m)

D1 = diameter sisi masuk rumah keong (2,3 m)

84 ns Maka :

= kecepatan spesifik (434,41 rpm)

 63,60   0,98    2,3 434 , 1      E 

   

Sehingga :  E   2,3   0,98 

63,60 

  2,59

434,1 

meter 

6. Ukuran pada bagian F (meter) pada  spiral casing  yang ditunjukkan oleh Gambar 4.10 (Sumber: Warnick, 1984, hal.136) yaitu : F D1

 131,4    1   n   s  

Dengan : F = ukuran pada bagian F (m) D1 = diameter sisi masuk rumah keong (2,3 m) ns = kecepatan spesifik (434,41 rpm)

  131,4     434,41 

Maka : 2,3  1  

   

Sehingga :  F   2,3  1 

131,4  

  2,99  3meter 

434,41 

7. Ukuran pada bagian G (meter) pada  spiral casing  yang ditunjukkan oleh Gambar 4.10 (Sumber: Warnick, 1984, hal.136) yaitu :

 96,5    0,89   D1 n   s   G

Dengan : G

= ukuran pada bagian G (m)

D1 = diameter sisi masuk rumah keong (2,3 m) ns

= kecepatan spesifik (434,41 rpm)

85

Maka :

  96,5    0,89    2,3 434 , 41     G

   

Sehingga : G  2,3   0,89 

    2,56 434,41  96,5

meter 

8. Ukuran pada bagian H (meter) pada  spiral casing  yang ditunjukkan oleh Gambar 4.10 (Sumber: Warnick, 1984, hal.136) yaitu :

 81,75    0,79   D1 n   s   H

Dengan : H

= ukuran pada bagian H (m)

D1 = diameter sisi masuk rumah keong (2,3 m) ns Maka :

= kecepatan spesifik (434,41 rpm)

  81,75    0,79    2,3 434 , 41     H

   

Sehingga : H  2,3   0,79 

4.3.3

81,75  

  2,25

434,41 

meter 

Spir al Casi ng Pandangan Samping

Bentuk pandangan samping rumah turbin (spiral casing) ditunjukkan oleh Gambar 4.11 berikut ini :

Gambar 4.11 Pandangan samping  spiral casing  (Sumber: Warnick, 1984, hlm; 134)

86 1. Ukuran pada bagian I (meter)  spiral casing  atau rumah turbin Kaplan yang ditunjukkan oleh Gambar 4.11 (Sumber: Warnick, 1984, hal.136) yaitu : I D1

 0,1  0,00065  n s 

Dengan : I = ukuran pada bagian I (m) D1 = diameter sisi masuk rumah keong (2,3 m) ns = kecepatan spesifik (434,41 rpm) Maka :

I 2,3

 0,1  0,00065  434,41

Sehingga : I  2,3  0,1  0.00065  434,41  0,88 meter  2. Ukuran pada bagian M (meter)  spiral casing  atau rumah turbin Kaplan yang ditunjukkan oleh Gambar 4.11 (Sumber: Warnick, 1984, hal.136) yaitu : M D1

 0,60  0,000015  n s 

Dengan : M = ukuran pada bagian M (m) D1 = diameter sisi masuk rumah keong (2,3 m) ns = kecepatan spesifik (434,41 rpm) Maka :

 M 

2,3

 0,60  0,000015  434,41

Sehingga : M  2,3  0,60  0.000015  434,41  1,39 meter  3. Ukuran pada bagian (meter)  spiral casing  atau rumah turbin Kaplan yang ditunjukkan oleh Gambar 4.11 (Sumber: Warnick, 1984, hal.136) yaitu : L D1

 0,88  0,00049  n s 

87 Dengan : L

= ukuran pada bagian L (m)

D1 = diameter sisi masuk rumah keong (2,3 m) ns Maka :

L 2,3

= kecepatan spesifik (434,41 rpm)

 0,88  0,00049  434,41

Sehingga :  I   2,3  0,88  0.00049  434,41  2,51 meter 

4.4 4.4.1

Perhitungan Dr aft Tube  Perhitungan kecepatan aliran masuk 

Diameter D1 = 2,3 meter dengan kecepatan spesifiknya n s=434,41 rpm. Jadi, kecepatan pada aliran masuk dicari dengan rumus (Sumber: Warnick, 1984, hlm.141) : v DT

 8,74 

248 ns

Dengan : vDT = kecepatan pada sisi masuk  draft tube ns Maka : v DT

4.4.2

= kecepatan spesifik (434,41 rpm)

 8,74 

248 ns

 8,74 

248 434,41

 9,31

m

dtk 

Perhitungan Dimensi draft tube Berdasarkan Pandangan Samping

Bentuk pandangan samping draft tube ditunjukkan oleh Gambar 4.12  berikut ini :

88

Gambar 4.12 Pandangan samping pada draft tube (Sumber: Warnick, 1984, hlm; 142)

Urrutan perhitungan draft tube berdasarkan pandangan samping yang ditunjukkan oleh Gambar 4.12 1. Ukuran pada bagian N (meter) draft tube yang ditunjukkan oleh Gambar 4.12 (Sumber: Warnick, 1984, hal.142) yaitu :

 203,3    1,54   D1 n   s    N

Dengan : N

= ukuran pada bagian N (m)

D1 = diameter sisi masuk rumah keong (2,3 m) ns Maka :

 N 2,3

= kecepatan spesifik (434,41 rpm)

 2,01

Sehingga :  N  2,3  2,01  4,62 meter  2. Ukuran pada bagian O (meter) draft tube yang ditunjukkan oleh Gambar 4.12 (Sumber: Warnick, 1984, hal.142) yaitu:

89

 140,7    0,83   D1   n s   O

Dengan : O

= ukuran pada bagian O (m)

D1 = diameter sisi masuk rumah keong (2,3 m) ns Maka :

O 2,3

= kecepatan spesifik (434,41 rpm)

 1,15

Sehingga : O  2,3  1,15  2,65 meter  3. Ukuran pada bagian P (meter) draft tube yang ditunjukkan oleh Gambar 4.12 (Sumber: Warnick, 1984, hal.142) yaitu : P D1

 1,37  0,00056  n s 

Dengan : P

= ukuran pada bagian P (m)

D1 = diameter sisi masuk rumah keong (1,089 m) ns Maka :

P 2,3

= kecepatan spesifik (434,41 rpm)

 1,61

Sehingga : P  2,3  1,61  3,71 meter  4. Ukuran pada bagian Q (meter) draft tube yang ditunjukkan oleh Gambar 4.12 (Sumber: Warnick, 1984, hal.142) yaitu :

 22,6    0,58   D1 n   s   Q

Dengan : Q

= ukuran pada bagian Q (m)

D1 = diameter sisi masuk rumah keong (2,3 m)

90 ns Maka :

Q 2,3

= kecepatan spesifik (434,41 rpm)

 0,63

Sehingga : Q  2,3  0,63  1,45 meter  5. Ukuran pada bagian R (meter) draft tube yang ditunjukkan oleh Gambar 4.12 (Sumber: Warnick, 1984, hal.142) yaitu :

 0,0013    1,6   D1   n s   R 

Dengan : R = ukuran pada bagian R (m) D1 = diameter sisi masuk rumah keong (2,3 m) ns = kecepatan spesifik (434,41 rpm) Maka :

R  2,3

 1,60

Sehingga : R   2,3  1,60  3,68 meter 

4.4.3

Perhitungan Dimensi draft tube Berdasarkan Pandangan Atas

Bentuk pandangan atas draft tube pada turbin Kaplan ditunjukkan oleh Gambar 4.13 berikut ini :

91

Gambar 4.13 Pandangan atas pada draft tube (Sumber: Warnick, 1984, hlm; 142)

Urutan

perhitungan

draft

tube

berdasarkan

pandangan

atas

yang

ditunjukkan oleh Gambar 4.13 1. Ukuran pada bagian S (meter) draft tube yang ditunjukkan oleh Gambar 4.13 (Sumber: Warnick, 1984, hal.143) yaitu :

    ns    D1   9,28  0,25  n s   S

Dengan : S = ukuran pada bagian S (m) D1 = diameter sisi masuk rumah keong (2,3 m) ns = kecepatan spesifik (434,41 rpm) Maka :

S 2,3

 4,37

Sehingga : S  2,3  4,37  10,06 meter  2. Ukuran pada bagian T (meter) draft tube yang ditunjukkan oleh Gambar 4.13 (Sumber: Warnick, 1984, hal.143) yaitu :

92 T D1

 1,50  0,00019  n s 

Dengan : T

= ukuran pada bagian T (m)

D1 = diameter sisi masuk rumah keong (2,3 m) ns Maka :

T 2,3

= kecepatan spesifik (434,41 rpm)

 1,58

Sehingga : T  2,3  1,58  3,64 meter  3. Ukuran pada bagian U (meter) draft tube yang ditunjukkan oleh Gambar 4.13 (Sumber: Warnick, 1984, hal.143) yaitu : U D1

 0,51  0,0007  n s 

Dengan : U

= ukuran pada bagian U (m)

D1 = diameter sisi masuk rumah keong (2,3 m) ns = kecepatan spesifik (434,41 rpm) Maka :

U 2,3

 0,21

Sehingga : U  2,3  0,21  0,47 meter  4. Ukuran pada bagian V (meter) draft tube yang ditunjukkan oleh Gambar 4.13 (Sumber: Warnick, 1984, hal.143) yaitu : V D1

 53,7    1,10   n   s  

Dengan : V

= ukuran pada bagian V (m)

D1 = diameter sisi masuk rumah keong (2,3 m)

93 ns Maka :

V 2,3

= kecepatan spesifik (434,41 rpm)

 1,22

Sehingga : V  2,3  1,22  2,81 meter  5. Ukuran pada bagian Z (meter) draft tube yang ditunjukkan oleh Gambar 4.13 (Sumber: Warnick, 1984, hal.143) yaitu :

 33,8    2,63   D1   n s   Z

Dengan : Z

= ukuran pada bagian Z (m)

D1 = diameter sisi masuk rumah keong (2,3 m) ns Maka :

Z 2,3

= kecepatan spesifik (434,41 rpm)

 2,71

Sehingga : Z  2,3  2,71  6,23 meter 

4.5

Poros Turbin Kaplan

Poros merupakan salah satu bagian terpenting dari setiap mesin yang  berfungsi untuk meneruskan tenaga bersama  –  sama dengan putaran. Bahan poros turbin adalah baja tempa nikel krom molibden dengan standarisasi JIS SFNCM 110 S. Pembebanan pada poros turbin berupa beban puntir akibat putaran turbin, sedangkan untuk spesifikas i bahan :

 125 kg

a. Tegangan Tarik bahan

: B

 b. Faktor Keamanan

: :Sf 1  6.0 Sf 2

mm 2

 2.0

94

 1,0 (Sularso

c. Faktor Koreksi

: f C

d. Tegangan Gesar ijin

:

e. Faktor Koreksi

: Lenturan K t

a 

& Suga. K, 2004, hlm.7)

B 125   16,03 kg mm 2 Sf 1  Sf 2 6  1,3  1 dan Puntiran

1. Daya rencana (Pd) :

Pd

 f c  Ptrbn  1,0  6200  6200 kW

2. Torsi rencana (T pt rbn) :

T ptrbn

 9,74  105

Dengan : Pd n

Pd ns

 6200

kW

 434,41

Maka : T ptrbn

rpm

 9,74  105

6200 434,41

 13901153,29 kg.mm

3. Diameter poros turbin (d pt rbn) :

d ptrbn

 5,1    K t C b T ptrbn   a 

1 3

 5,1  d  ptrb n    1  1  13901153,29 10,42 

1

3

 189,489  220

mm

C b

1

95 4.6 Perancangan Bantalan

Bantalan yang digunakan turbin Kaplan nomor bantalan Spherical Roller  23244 CK/W33 dengan spesfikasi (Sumber: OKO  Presicion Bearing Catalogue, 2005, hlm.114) a. Diameter poros turbin (dPtrbn)

= 220 mm

 b. Putaran poros trbn (ns)

= 434,41 rpm

c.  N0. bantalan poros

= 23244 CK/W33

d. Kapasitas Spe. dinamis (C)

= 1656000 N (168807,34 kg)

e. Kapasitas Spe. Statis (Co)

= 2760000 N (281345,57 kg)

1. Gaya Tangensial (F t )

Fttrbn

Fttrbn



Ptrbn u



6200000 N.m 23,27 m



dtk 

dtk 

 266437,47  N  27159,78 kg

2. Faktor Kecepatan f n  1

1

 33.3    33,3   3        0,42 n 434 , 41     s     3

f ntrbn

3. Faktor Umur f h  f htrbn

 f ntrbn 

C Fttrbn

 0,42 

168807,34 27159,78

 2,61

4. Umur L h 

 Lhtrbn

 500   f  htrbn3.3  500  2,613,3  11681,17

 jam

96 Untuk mesin  –  mesin dengan pemakaian terus menerus dan keandalan tinggi dengan kerja halus tanpa tumbukan L h ijin adalah 40000  –  60000 jam. Bantalan aman untuk digunakan sebagai penopang poros turbin karena umur   bantalan  5000  60000 jam. Bentuk dan susunan antara poros dan bantalan pada turbin ditunjukkan oleh Gambar 4.14.

Gambar 4.14 Bantalan rol silinderis (Sumber: OKO Presicion Bearing Catalogue, 2005, hlm; 114)

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Kesimpulan yang didapat dari hasil perancangan perancangan turbin Kaplan sebagai penggerak generator listik pada PLTA Wonogiri adalah : 1. Berdasarkan daya terpasang sebesar 6,2 MW dan dengan head  maksimal 25,5 meter diperoleh kebutuhan debit air sebesar 28,48 m3 /detik, turbin dapat diaplikasikan pada PLTA Wonogiri karena kapasitas aliran air  (debit) pada PLTA wonogiri ketika kondisi maksimal 28,43 m 3 /detik, normal 36,70 m3 /detik, dan minimal 28,38 m3 /detik. 2. Instalasi PLTA Wonogiri terdiri dari turbin, peralatan pendukung kerja turbin, dan alat bantu operasi turbin : a) Pipa pesat (penstock) dengan diameter (D p ) 3,842 meter, panjang (L p ) 39,58 meter, dan sudut elevasi  penstock (θ) 40°.  b) Rumah turbin (spiral casing), dengan dimensi masing  –  masing bagian adalah: bagian A adalah 2,66 meter, bagian B adalah 2,82 meter, bagian C adalah 3,30 meter, bagian D adalah 3,71 meter, bagian E adalah 2,59 meter, bagian F adalah 3,00 meter, bagian G adalah 2,56 meter, bagian H adalah 2,25 meter, bagian I adalah 0,88 meter, bagian M adalah 1,39 meter, dan bagian L adalah 2,51 meter. c)  Draft tube, dengan dimensi masing  –  masing bagian adalah: bagian N adalah 4,62 meter, bagian O adalah 2,65 meter, bagian P adalah 3,00 meter, bagian Q adalah 1,45 meter, bagian R adalah 3,68 meter, bagian

97

S adalah 10,06 meter, bagian T adalah 3,64 meter, bagian U adalah 0,47 meter, bagian V adalah 2,81 meter, dan bagian Z adalah 6,23 meter. d)  Runner , dengan ukuruan diameter adalah: Diameter leher poros 0,95 meter, diameter tengah runner  1,63 meter, dan diameter luar  runner  adalah 2,30 meter. e) Poros runner  dengan diameter 220 mm dan dengan bahan baja tempa nikel krom molibden dengan standarisasi JIS SFNCM 110 S. f) Bantalan yang digunakan turbin Kaplan nomor bantalan Spherical   Roller 23244 CK/W33.

5.2 Saran

Agar umur ekonomis turbin panjang, berikut ini merupakan saran dari  penulis untuk menjaganya, antara lain : 1. Menjaga aliran dari sedimentasi dan kebocoran agar debit dan head  sesuai dengan yang dibutuhkan. 2. Lakukan perawaatan sesuai prosedur perawatan mulai dari perawatan yang bersifat rutin dan perawatan yang bersifat periodik.

DAFTAR PUSTAKA

Dietzel, Fritz., 1980, Turbin, Pompa dan Kompresor , Terjemahan oleh Ir. Dakso Sriyono, Penerbit Erlangga, Jakarta. Dandekar, M. M., & Sharma, K.M., 1979,  Pembangk it Listrik Tenaga Air, Terjemahan

oleh

D.

Bambang

Setyadi,

1991,

Penerbit

Universitas

Indonesia, Jakarta. Penche, C., 1998, Layman's Handbook On How To Develop A Small Hydro Site, U. Politécnica de Madrid, Madrid. Warnick, C.C., 1984,  Hydropower Engineering , Professor of Civil Engineering, University of Indaho Moscow, Indaho. Sunyoto, 2008, Teknik Mesin Idustri, Jilid 3, Departemen Pendidikan Nasional, Jakarta. PLTA Wonogiri, 2006,  Petunjuk Operasi Unit PLTA Wonogiri, PT. Indonesia Power  UBP Mrica Sub Unit PLTA Wonogiri, Wonogiri. Sularso & Suga, K.,. 1997,  Dasar Perencanaan Dan Pemeliharaan Elemen Mesin, Cetakan ke-empat, Penerbit Pradnya Paramita, Jakarta. Sukoco

E.,

2011,

Perancangan

Turbin

Kaplan

Penggerak

Generator

Listrik 

Menghasilkan Daya 500 kW, Tugas Akhir Teknik Mesin, IST AKPRIND, Yogyakarta. Muhamad, R, S. Abu Amar, 2010, Perancangan Ulang Turbin Air Kaplan Poros Tegak 1,2 MW PLTM Plumbungan Sub Unit UBP Mrica Banjarnegara, Tugas Akhir Teknik Mesin, IST AKPRIND, Yogyakarta.

Surbakti, 2009, Perancangan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Lengkung Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Sungai, Tugas  Akhir Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara, Medan. Jorfri, B. Sinaga, 2009, Perancangan turbin Air Untuk Sistem Pembangkit Listrik  Tenaga Mikro Hidro (Studi Kasus way Gison Kecamatan Sekincau Kabupaten Lampung Barat), Tugas Akhir Teknik Mesin, Universitas Lampung, Bandar Lampung. Glad, S., 2009, Perancangan Serta Pembuatan Prototipe Turbin Air Terapung Bersudu Datar Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Sungai, Tugas  Akhir Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara, Medan. Amrullah, M., 2010, Perancangan Turbin Air Francis Pada Head 50 M Dan Daya 4,5 MW, Tugas AkhirTeknik Mesin, IST AKPRIND, Yogyakarta.

Harvey, A., et al, 1993,  Microhydro Design Manual , Intermediate Technology Publications, London. Jagdish, Lal, 1975,  Hydraulic Machine, Metropolitan Book Co Private Ltd, New Delhi.  Niemann, G., 1990,  Desain dan Kalkulasi dari Sambungan, Bantalan, dan Poros, Penerbit Erlangga, Jakarta.  Noname.,

“ pelaksanaan

elektro

mekanikal”,

termuat

di

:

www.clearinghouse.energiterbarukan.com/, diakses 16 Juli 2013.  Noname., “SKF Presicion Bearing Catalogue”, termuat di: www.bergab.ru, diakses

17 Juli 2013.

232 SERIES