Turbin Air Presented by:
Ahmad Mufid (C2A ) Faiz Setyo Budi (C2A112001)
Definisi Turbin Air adalah alat untuk mengubah energi kinetik berupa aliran air menjadi energi mekanik berupa putaran sudu jalan
(runner). Aliran air diarahkan langsung menuju sudusudu melalui pengarah, menghasilkan daya
sirip.
Page 2
Klasifikasi turbin air
Menurut Arah Aliran Air
Menurut Perubahan Momentum Fluida Menurut Letak Poros Turbin
Page 3
Menurut Arah Aliran Air Turbin Aliran Radial Aliran air masuk runner tegal lurus dengan poros runner, mengakibatkan runner berputar. Contoh: Turbin Pelton, Cross-Flow, Turgo, dll. Turbin Aliran Aksial Air masuk runner dan keluar runner sejajar dengan poros runner. Contoh: Turbin Kaplan, propeller Turbin Aliran Aksial-Radial Air masuk runner secara radial dan keluar runner secara aksial/sejajar poros runner. Contoh: Turbin Francis
Page 4
Menurut Perubahan Momentum Fluida Turbin Reaksi Turbin
ini
memanfaatkan
energi
potensial
untuk
menghasilkan energi gerak. Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin. Turbin Impuls
Turbin ini memanfaatkan energi potensial air yang diubah menjadi energi kinetik melalui nozzle.
Page 5
Menurut Letak Poros Poros turbin dapat diletakkan secara vertikal atau horisontal, misalnya Turbin Pelton biasanya porosnya dipasang horisontal, sedangkan untuk unit-unit besar porosnya dipasang vertikal.
Page 6
Jenis-jenis Turbin Air FRANCIS
KAPLAN
PELTON
CROSS-FLOW
Page 7
Turbin francis Diciptakan oleh James Francis Bichens dari Inggris. Termasuk jenis turbin reaksi dengan arah aliran aksial-radial. Turbin ini beroperasi pada head (tinggi jatuh) 10 – 650 meter, dapat menghasilkan daya 10 – 750 MW dengan Ns (spesific speed) 83 – 1000 rpm. Pada umumnya turbin ini di desain dengan posisi poros vertikal untuk menjaga agar air tidak mengenai rumah generator dan peralatan bantu lainnya.
Page 8
Persamaan Momentum T = m [ ( r . Vw )1 – ( r . Vw )2 ]
Dengan asumsi Cv = 1
.
Vw1 = V . cos α1 = Cv ( 2 . g . H )1/2 . cos α1 = ( 2 . g . H )1/2 . cos α1 Untuk turbin air jenis francis, Vw2 = 0 maka T = m [ r1 . ( 2.g.H )1/2 . cos α1 ] . Gambar Segitiga Kecepatan Turbin Francis
Page 9
appendix T = torsi / momen puntir
(Nm)
m = laju aliran massa
(kg/s)
H = tinggi jatuh air
(m)
r1 = jari-jari sisi luar turbin
(m)
1 = sudut air masuk sudu
(derajat)
2 = sudut air keluar sudu
(derajat)
1 = sudut sudu bagian masukan air
(derajat)
2 = sudut sudu bagian keluaran air
(derajat)
.
v = kecepatan absolute
(m/s)
u = kecepatan tangensial
(m/s)
w = kecepatan relatif
(m/s)
vf = kecepatan aliran
(m/s)
vw = kecepatan sudu
(m/s)
Page 10
Turbin kaplan Dikembangkan oleh Dr. Victor Kaplan dari Austria pada tahun 1913. Turbin Kaplan termasuk kelompok turbin air reaksi jenis baling-baling
(propeller).
Keistimewaannya
adalah sudut sudu geraknya (runner) bisa diatur (adjustable blade) untuk menyesuaikan dengan kondisi aliran saat itu yaitu perubahan debit air. Turbin ini beroperasi pada head (tinggi jatuh) 10 – 70 meter, dapat menghasilkan daya 5 – 120 MW dengan Ns (spesific speed) 79 – 429 rpm.
Page 11
Gambar Segitiga Kecepatan Turbin Kaplan
Untuk Turbin Kaplan U1 = U2 = U Vw1 = V1 . cos 1
Page 12
Turbin pelton Ditemukan oleh Lester Allan Pelton dari U.S.A pada Tahun 1870an. Turbin Pelton mengubah
energi
yang
diberikan
oleh
pancaran nozzle. Turbin jenis ini bekerja pada head tinggi (antara 30 – 1000 meter) tetapi debitnya kecil (0,2 – 3 m3/s). Daya yang dapat dihasilkan oleh turbin ini sekitar 50 KW – 100 MW. Pada turbin pelton energi potensial air berubah menjadi energi kinetik melalui nosel disemprotkan ke bucket untuk dirubah menjadi energi mekanik yang digunakan untuk memutar poros generator. Page 13
Untuk Turbin Pelton V1 = U1 + W1 V1 = Vu1 W1 = W2 U1 = U2 = U Vw2 = W2 . cos 2 - U
Gambar Segitiga Kecepatan Turbin Pelton
Page 14
TURBIN CROSSFLOW Salah satu jenis turbin impuls ini juga dikenal dengan nama Turbin Michell-Banki yang merupakan penemunya Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 litres/sec hingga 10 m3/sec dan head antara 1 s/d 200 m. Turbin Cross flow menggunakan nozzle persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Air mengalir keluar
membentur sudu dan memberikan energinya (lebih rendah dibanding saat masuk) kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel. Page 15
Untuk turbin air jenis crossflow, U1 = U2 = U Vw1 = V1 . cos 1 Vw2 = 0
Gambar Segitiga Kecepatan Turbin Cross-Flow
Page 16
Tabel Pemilihan Turbin Berdasarkan Tinggi Jatuh dan Debit Air
Karakteristik turbin air Untuk memperbandingkan prestasi turbin-turbin yang mempunyai output dan
kecepatan yang berbeda dan beroperasi pada tinggi angkat (head) yang berbeda pula, untuk menyederhanakan perbandingan umumnya dilakukan dengan mengambil acuan tinggi angkat (head) air sebesar satu meter. Tiga karakteristik turbin yang didasarkan pada tinggi angkat (head) satuan adalah: Unit Daya (Pu) Unit Kecepatan (Nu) Unit Discharge (Qu)
Page 18
Unit daya Daya yang dihasilkan sebuah turbin yang bekerja pada tinggi angkat sebesar
satu meter, dikenal sebagai unit daya. Unit daya dapat dirumuskan sebagai berikut:
Dengan :
Pu = unit daya ( Watt )
Page 19
Unit kecepatan Unit kecepatan didefinisikan sebagai kecepatan turbin yang bekerja pada
tinggi angkat sebesar satu meter. Besarnya unit kecepatan dapat dirumuskan sebagai berikut:
Dengan :
Nu = unit kecepatan ( rpm )
Page 20
Unit discharge Unit discharge adalah aliran keluaran suatu turbin yang bekerja pada tinggi
angkat sebesar satu meter. Unit discharge dapat dirumuskan sebagai:
Dengan :
Qu = unit discharge ( m3/s )
Page 21
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR
PLTA merupakan sebuah sistem pembangkitan energi listrik yang memanfaatkan energi potensial dari suatu aliran air, mengubahnya menjadi energi kinetik dengan cara mengalirkan melalui pipa-pipa air, kemudian ditumbukkan ke sebuah Turbin Air menggunakan nozzle atau sudu-sudu pengarah. Turbin Air yang tertumbuk air akan berputar menghasilkan energi mekanis yang digunakan untuk memutar rotor generator, sehingga menghasilkan listrik.
Page 22
Rumus Prinsip Kerja PLTA Head (H)
Daya Generator (Pout)
Daya Hidrolis (PH)
Efisiensi Sistem (PLTA)
Daya Turbin (PT)
Kecepatan Spesifik (Ns)
CONTOH SOAL
Page 24
Head Head adalah tinggi jatuh air yang dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin. Head dilambangkan sebagi H. Dalam sebuah sistem pembangkit, head
merupakan selisih antara head isap dengan head tekan. Tinggi jatuh air dapat dirumuskan sebagai berikut:
Dengan: H = tinggi jatuh air, dalam satuan meter Hs = tinggi jatuh air pada sisi isap turbin, dalam satuan meter Hd = tinggi jatuh air pada sisi keluar turbin, dalam satuan meter Page 25
Daya Hidrolis Daya hidrolis didefinisikan sebagai daya yang dihasilkan oleh air yang mengalir dari suatu ketinggian. Daya hidrolis dilambangkan sebagai PH. Daya hidrolis dirumuskan sebagai berikut:
Dengan : Q = debit air H = tinggi jatuh air
(m3/s) (m)
Page 26
Daya Turbin Daya turbin adalah daya yang dibangkitkan oleh turbin air dengan mengubah energi kinetik air menjadi energi mekanik berupa putaran turbin. Daya turbin dilambangkan sebagai PT. Besarnya daya turbin dapat dihitung menggunakan rumus sebagai berikut:
Dengan : N = putaran nominal turbin
T = torsi / momen puntir
(rpm)
(Nm)
Page 27
Daya generator Daya yang dibangkitkan generator dilambangkan sebagai Pout. Merupakan daya yang dibangkitkan oleh sebuah system pembangkit setelah mengalami rugi-rugi secara keseluruhan.
Dengan : v = tegangan generator (volt) I = arus generator
(ampere)
cos = faktor daya
Page 28
Efisiensi Sistem Efisiensi sistem adalah kemampuan peralatan pembangkit untuk mengubah energi kinetik dari air yang mengalir menjadi energi listrik. Besarnya kerugian didalam turbin akan mempengaruhi efisiensinya. Efisiensi PLTA terdiri dari efisiensi pada sudu turbin, efisiensi pada poros dan efisiensi pada generator. Besarnya efisiensi sistem dapat dirumuskan sebagai berikut:
Efisiensi sistem biasanya dinyatakan dalam persen (%)
Page 29
Kecepatan Spesifik Kecepatan spesifik turbin didefinisikan sebagai kecepatan sebuah turbin imajiner, yang identik dengan turbin sebenarnya, namun hanya menghasilkan daya satu satuan pada head satu satuan. dimana, Ns = kecepatan spesifik (rpm) N = kecepatan putaran turbin (rpm)
P = Daya Hidrolis Air (Watt) Dalam prakteknya, kecepatan spesifik paling sering digunakan. Harga kecepatan spesifik akan membantu kita dalam memperkirakan prestasi turbin. Page 30
Contoh Soal Sebuah pengujian PLTA yang menggunakan Turbin Francis
1.
menghasilkan data sbb: •
Beban Aktif
•
Sudut Guide Vane
= 45o
•
Debit Air
= 3 m3/s
•
Tinggi muka air DAM
= 461 m
•
Tinggi muka air Tail Race
= 316 m
•
Diameter Turbin
= 1,0 m
•
Putaran Turbin
= 550 rpm
= 3 MW
Hitung: Daya Turbin dan efisiensi PLTA tersebut!!
Penyelesaian: • Langkah Pertama, menghitung head (tinggi jatuh air) yang digunakan oleh sistem H = Hs – Hd
Hd = head discharge (pada Tail Race) Hs = head suction (pada DAM)
H = 461 – 316 = 145 meter
• Langkah Kedua, menghitung laju aliran massa air
m = .Q = 997,02 . 3 = 2991,06 kg/s
• Langkah Ketiga, menghitung Torsi Dengan mengasumsikan Cv = 1, kecepatan sudu (vw) dapat dihitung vw1
= v . cos α1 = Cv ( 2 . g . H )1/2 . cos 45o
= ( 2 . 9,806 . 145 )1/2 . 0,707 = 40,85 m/s T
= m [ ( r . vw )1 – ( r . vw )2 ] = 2991,06 [ ( 0,5 . 40,85) – 0 ] = 61092,4 Nm
• Langkah Keempat, menghitung Daya Turbin PT
=
2.π.N.T 60
=
2 . 3.14 . 550 . 61092,4 60
= 3516885 Watt
3,5 MW
• Langkah Kelima, menghitung Daya Hidrolis Air PH = . g . Q . H = 997,02 . 9,806 . 3 . 145 = 3896000 Watt
= 3,896 MW • Langkah Keenam, menghitung efisiensi PLTA Dalam sistem pembangkit listrik, beban aktif merupakan daya yang dibangkitkan oleh generator listrik (PG). PLTA
=
Pout
x 100 %
PH =
3
x 100 % = 77 %
3,896 Data Turbin sebesar 3,5 MW dan efisiensi PLTA sebesar 77%
2. Sebuah turbin Pelton menghasilkan daya 1750 kW pada head 100 meter ketika turbin beroperasi pada 200 rpm dan mengeluarkan debit air sebesar 2500 liter/s. Carilah daya satuan, kecepatan satuan dan debit satuan dari turbin!!
SEKIAN PRESENTASI DARI KAMI
ATAS PERHATIANNYA
KAMI UCAPKAN
