Laporan Turbin Kaplan

BAB I PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Sebagai mahasiswa/i program studi Teknik Konversi Energi, prioritas utama kami ialah sistem operasi pembangkit diataranya PLTU, PLTD, PLTG, PLTGU, dan PLTA. Operasi  pembangkit tentunya membutuhkan komponen untuk sisitem pengoperasiannya, salag t aunya ialah turbin. Kami diharapkan untuk memahami sistem kerja turbin yang nantinya akan digunakan pada pembangkit, dan yang akan di bahas pada praktikum ini adalah turbin air, dan yang menjadi fokus ialah pompa aliran aksial.

B. Tujuan

1. Mahasiswa/i mampu memahami fungsi pompa aliran aksial 2. Mahasiswa/i mampu membuat gambar schematic alat ukur yang digunakan untuk  praktikum 3. Mahasiswa/i mampu membuat daftar semua lambang 4. Mahasiswa/i mampu membaca alat ukur 5. Mahasiswa/i mampu membaca dan menghitung Head, Torsi, Daya, Efisiensi untuk  perbedaan kondisi performa pompa 6. Mahasiswa/i mampu membuat kurva karakteristik pompa 7. Mahasiswa/i mampu membuat kesimpulan dan analisis dari praktikum

1

BAB II DASAR TEORI

A. Pompa

Pompa adalah peralatan mekanik yang mengubah energi mekanik menjadi energi hidrolik. Pompa membuat perbedaan tekanan diantara sisi inlet pompa, dimana tekanan  berada di bawah tekanan atmosfir pada sisi outlet. Perbedaan tekanan ini memberikan  perbedaan head.

Pompa aksial juga disebut pompa propeler. Pompa ini menghasilkan sebagian besar tekanan dari propeler dan gaya lifting dari sudu terhadap fluida. Pompa ini biasa digunakan di sistem drainase dan irigasi. Pompa aksial digunakan pada sistem-sistem yang membutuhkan debit aliran fluida tinggi, dengan besar head yang rendah. Pompa jenis ini banyak digunakan  pada sistem irigasi, pompa penanggulangan banjir, dan di pembangkit listrik tenaga uap digunakan untuk mensupply air laut sebagai media pendingin di kondensor.



Menghitung Daya Hidrolik (D h)

VA

V1

V N V2 V1 > V2 P1 + ρgh1 +

1

1

2

2

ρV1  = P2 + ρgh2 + ρV2 2 2

P2 –  P1 =

1 2

2

2

ρ (V1 - V2 ) > 0

P2 > P1

ΔP =

1 2

2

ρ V

Dimana P= 2

F A

ΔF = ΔP x A ΔF =

1

2

ρ V  A

2

Selanjutnya W=Fxs D=

W t

D=

= 1 2

Fs t

 = F x V

2

ρ V  A V

Dh = Q x ρ x g x H Dimana : Q

= laju aliran fluida (m3/s)

ρ

= Masa Jenis fluida (kg/m3)

g

= Percepatan Gravitasi ( m/s2)

H

= Head (m)

Apabila kapasitas, masa jenis dan percepatan gravitasi telah terdapat pada spesifikasi dan telah diketahui, maka yang dicari yaitu Head (H), berikut adalah rumus perhitungan Head (H) : H = Hs + Hd H = ha + Δh p + Hf total +

v 2g

Dimana : H

= Head total pompa (m)

Hs

= Head statis pompa (m) , Head statis adalah perbedaan ketinggian (elevasi) dari sisi keluar (akhir proses) pompa dengan sisi hisap pompa.

Hd

= Head statis pompa (m)

Hd =

(

1 1

−

1 2

3

)×

 2



Menghitung Daya Poros (D s) Ws = τ x θ Ds =

W t

=

θ t

Ds = τ x ω Dimana, ω = 2πT



2 6

=

 

Sehingga Ds =

 

Dimana: Ds

= Daya poros (kW)

ω

= Kecepatan angular (rad/s)

τ

= Torsi (Nm)  m x g x l Ds = 

τxπxn 30

Dimana:  N

= (rpm)

F

= Gaya (N)

l

= Panjang lengan (m)

m

= Massa (kg)

Menghitung efisiensi pompa : η=

Dh DS

X 100%

Dimana, η

= Efisiensi pompa (%)

Dh

= Daya Hidrolik (Kw)

Ds

= Daya Poros (Kw)

4

Gambar 2.1 Karakteristik dan Perbedaan  Pompa Aksial dan Pompa Sentrifugal

B. Turbin Kaplan

Turbin Kaplan adalah Turbin Air, jenis baling baling, yang memiliki pisau atau sirip, yang dapat disesuaikan. Turbin ini dikembangkan pada tahun 1913 oleh Profesor Austria Viktor Kaplan, yang dikombinasikan bilah baling-baling otomatis yang dapat disesuaikan, dengan gerbang gawang otomatis yang juga dapat disesuaikan, untuk dapat mencapai efisiensi melalui berbagai tingkat aliran dan air. Turbin Kaplan merupakan Evolusi dari Turbin Francis. Penemuan yang memungkinkan  produksi listrik yang efisien di negara tertentu, yang memiliki head yang relatif rendah, yang tidak mungkin diterapkan untuk Turbin Francis.

5

Gambar 2.2 Bagian turbin kaplan Head Kaplan berkisar 10 - 70 meter dan Output Daya 5-120 MW. Diameter Runner adalah antara 2 dan 8 meter. Kecepatan putar Runner turbin adalah 79-429 rpm. Turbin Kaplan saat ini sudah banyak digunakan di seluruh dunia dalam High Flow, Low Head. Sesuai dengan persamaan euler, maka makin kecil tinggi air jatuh yang tersedia,makin sedikit belokannya aliran air di dalam sudu jalan. Dengan bertambahnya kapasitas air yang masuk ke dalam turbin, maka akan bertambah besar pula luas penampang salauran yang dilalui air, dan selain itu kecepatan putar yang demikian bisa ditentukan lebih tinggi. Kecepatan spesifik bertambah,kelengkungan sudu, jumlah sudu, dan belokan aliran air di dalam sudu berkurang. Pada permulaan sekali disaat pengembang pusat tenaga sungai, turbinnya menggunakan roda baling-baling dengan sudu-sudu tetap yang dituang. Untuk tempat pusat listrik tenaga sungai harus dihitung lebih dahulu besarnya perubahan tinggi air jatuhnya sepanjang tahun. Dan aliran sungai tersebut bisa diatur dengan memakai  bendungan. Makin besar kapasitas air yang mengalir pada saat air tinggi, akan makin tinggi air jatuh yang bisa dimamfaatkan, karena tinggi permukaan air atas adalah konstan sedangkan air kelebihan pada permukaan air bawah akan naik. Turbin yang bekerja pada kondisi tinggi air jauh yang berubah-ubah mempunyai kerugian, karena dalam perencanaan sudu turbin telah disesuaikan bahwa perpindahan energi 6

yang baik hanya terjadi pada titik normal yaitu pada kondisi perbandingan kecepatan dan tekanan yang tertentu. Bila terjadi penyimpangan yang besar baik ke atas maupun ke bawah, seperti yang terdapat pada pusat tenaga listrik sungai, randamen roda baling-balingnya turbin cepat atau lambat akan turun. Keuntungan turbin baling-baling dibandingkan dengan turbin francis adalah kecepatan  putarnya bisa dipilih lebih tinggi, dengan demikian roda turbin bisa dikopel langsung dengan langsung dengan generator dan ukurannyapun lebih kecil. Roda Jalan Turbin Kaplan : Kontruksi Dan Keadaan Aliran Air. Konstruksinya bisa dibedakan, sampai dengan alat pengarah pada hakekatnya sama dengan turbin francis dan  pada leher poros terdapat sekitar 4 sampai 8 buah kipas sudu yang dapat diputar.

Gambar 2.3 Prinsip kerja turbin kaplan Kipas sudu pada gambar

Diatas

ini sama seperti baling-baling atau sayap pesawat

terbang yaitu membawa aliran dengan belokan yang hanya sedikit. Bila untuk pesawat terbang maksudnya adalah supaya dari gaya dorong yang ada bisa didapatkan gaya ke atas, dengan tahanan yang sedikit mungkin. Tetapi pada turbin kaplan maksudnya adalah untuk mendapatkan gaya tangensial yang bisa menghasilkan torsi pada pada poros. 7



Menghitung Daya Hidrolik (D h) Dh = Q x ρ x g x H Dimana : Q

= laju aliran fluida (m3/s)

ρ

= Masa Jenis fluida (kg/m3)

g

= Percepatan Gravitasi ( m/s2)

H

= Head (m)

Apabila kapasitas, masa jenis dan percepatan gravitasi telah terdapat pada spesifikasi dan telah diketahui, maka yang dicari yaitu Head (H), berikut adalah rumus perhitungan Head (H) : H = Hs + Hd H = ha + Δh p + Hf total +

v 2g

Dimana : H

= Head total pompa (m)

Hs

= Head statis pompa (m) , Head statis adalah perbedaan ketinggian (elevasi) dari sisi keluar (akhir proses) pompa dengan sisi hisap pompa.

Hd

= Head statis pompa (m)

Hd =



(

1

− 

1

1 2



)× 

2

Menghitung Daya Poros (D s) Ws = τ x θ Ds =

W t

=

θ

Ds = τ x ω Ds

= Daya poros (kW)

ω

= Kecepatan angular (rad/s) 8

t

τ

= Torsi (Nm)  m x g x l Ds = 

τxπxn 30

Menghitung efisiensi turbin : η=

D Dh

X 100%

Dimana, η

= Efisiensi turbin (%)

Dh

= Daya Hidrolik (Kw)

Ds

= Daya Poros (Kw)

9

BAB III PROSEDUR PRAKTIKUM

A. Lokasi dan Waktu

Tanggal : 10 September 2014 Lokasi : Laboratorium Teknik Konversi Energi, Politeknik Negeri Jakarta

B. Alat yang di butuhkan Nama Alat

Jumlah

1

Unit Turbin Kaplan

1

2

Alat Ukur ( Flow meter, Mano Meter, dll)

3

3

Papan Bola Lampu

1

Gambar

10

4

Regulator Tegangan

1

5

Kabel

20

C. Langkah Kerja 1. Mempersiapkan alat 2. Buatlah rangkaian seperti gambar di bawah ini

   l   e    l   a   r   a    P

  e    i   r   e    S

  n   o    i    t   a    t    i   c   x    E    d    l   e    i    F

Excitation Supply

Load

L1

L2

L3

L4

L5

L6 Ke Beban

S1

S2

S3

Output Current

Output Voltage

Input Voltage

A

V

V

Trafo Regulator

Sumber AC 220 V

11

3. Operasikan motor listrik, agar pompa mendapatkan daya 4. Atur sudut propeller pompa 1,8,15 5. Atur sudut propeller turbin 1,2,3 tiap satu propeller pompa 6. Atur tekanan Hi dan masukan beban pada pompa hingga posisi pompa seimbang. 7. Perhatikan dan catat data yang terbaca di alat ukur pada pompa,turbin,papan  beban,flow meter. 8. Atur kembali sudut propeller pompa dan turbin dengan sudut yang berbeda, lalu ulangi langkah 4-5

12

BAB IV DATA DAN PERHITUNGAN HASIL PRAKTIKUM

A. Data Praktikum

 No

Posisition

1

0.5

2

Sudut turbin (°)

2.5

3

4.5

4

6.5

Input (Pump) Speed P1 Pump (Mh2O) (rpm)

Flow Rate (l/s)

35

15,61

45

17.95

55 35 45

17.56

55

18.69

35

15.56

45

17.34

55 35 45

17.75

55

18.48

Output Turbine P2 (kg/cm2)

Torque

Speed Turbine (rpm)

v

Current

P5 (Mh2O)

P6 (Mh2O)

0.2

0.6

0.7

1054

118

1.18

4.25

0.68

0.2

0.6

0.8

1018

110

1.1

4.25

0.68

18,31

0.25

0.6

0.7

978

105

1.05

4.25

0.68

15.69

0.25

0.6

0.7

1071

120

1.18

4.4

0.68

0.25

0.6

0.8

1028

118

1.15

4.43

0.68

0.26

0.6

0.7

998

110

1.12

4.45

0.68

9700

9700

0.26

0.6

0.8

1088

120

1.18

4.4

0.68

0.26

0.6

0.7

1044

119

1.15

4.42

0.68

18.26

0.28

0.6

0.7

1004

112

1.12

4.45

0.68

15.54

0.3

0.6

0.8

1097

120

1.18

4.48

0.68

0.3

0.6

0.8

1068

119

1.15

4.45

0.68

0.3

0.6

0.8

1017

118

1.13

4.45

0.68

9800

9600

13

B. Data Hasil Pengolahan 

Pompa Input (Pump)

 No

1

2

3

4

Posisition

0.5

2.5

4.5

6.5

Sudut turbin (°)

Flow Rate (l/s)

35

0.01561

45

0.01795

55

0.01831

35

0.01569

45

0.01756

55 35

Speed Pump (rpm)

Output Turbine

P1 (Mh2O)

P2 (kg/cm2)

2

60

9700

Daya Hidrolik (KW) 905.38

Torque

Speed Turbine (rpm)

v

0.7

1054

118

Generator

Current

P5 (Mh2O)

P6 (Mh2O)

1.18

42.5

6.8

Daya Hidrolik Turbin (KW)

Daya Mekanik

Daya Listrik

557.277

0.07722307

0.13924

2

60

1041.1

0.8

1018

110

1.1

42.5

6.8

640.815

0.08524053

0.121

2.5

60

1052.83

0.7

978

105

1.05

42.5

6.8

653.667

0.0716548

0.11025

2.5

60

902.175

0.7

1071

120

1.18

44

6.8

583.668

0.0784686

0.1416

2.5

60

1009.7

0.8

1028

118

1.15

44.3

6.8

658.5

0.08607787

0.1357

0.01869

2.6

60

1072.81

0.7

998

110

1.12

44.5

6.8

704.613

0.07312013

0.1232

0.01556

2.6

60

893.144

0.8

1088

120

1.18

44

6.8

578.832

0.09110187

0.1416

2.6

60

995.316

0.7

1044

119

1.15

44.2

6.8

648.516

0.0764904

0.13685

2.8

60

1044.47

0.7

1004

112

1.12

44.5

6.8

688.402

0.07355973

0.12544

45

0.01734

55

0.01826

35

0.01554

45

0.01775

55

0.01848

Debit Q (l/s) x 10

9700

9800

9600

-3

3

60

885.78

0.8

1097

120

1.18

44.8

6.8

590.52

0.09185547

0.1416

3

60

1011.75

0.8

1068

119

1.15

44.5

6.8

669.175

0.0894272

0.13685

3

60

1053.36

0.8

1017

118

1.13

44.5

6.8

696.696

0.0851568

0.13334

3

ω = 2 N/ 60

= Q (m /s)

-3

Head Pompa In (mH2O) x 10 = Head Pompa In (kPa)

Pmekanik = τ x ω = (Watt) x 10  = (kW)

2

-3

Head Pompa Out (kg/cm ) x 100 = Head Pompa Out (kPa) 3

PListrik = V x I = (Watt) x 10 = 2

Menghitung Daya hidrolik Pompa  pada ρ 1000 kg/m ; g = 9,81 m/s Ppompa = ρ x g x ∆H x Q = (kW 14

(kW)

B. Data Hasil Pengolahan 

Pompa Input (Pump)

 No

1

2

3

4

Posisition

0.5

2.5

4.5

6.5

Sudut turbin (°)

Flow Rate (l/s)

Output Turbine

Speed Pump (rpm)

P1 (Mh2O) 2

60

905.38

0.7

9700

2

60

1041.1

0.8

P2 (kg/cm2)

Daya Hidrolik (KW)

Torque

Speed Turbine (rpm)

Generator

P5 (Mh2O)

P6 (Mh2O)

v

Current

1054

118

1.18

42.5

6.8

1018

110

1.1

42.5

6.8

Daya Hidrolik Turbin (KW)

Daya Mekanik

Daya Listrik

557.277

0.07722307

0.13924

640.815

0.08524053

0.121

35

0.01561

45

0.01795

55

0.01831

2.5

60

1052.83

0.7

978

105

1.05

42.5

6.8

653.667

0.0716548

0.11025

35

0.01569

2.5

60

902.175

0.7

1071

120

1.18

44

6.8

583.668

0.0784686

0.1416

45

0.01756

2.5

60

1009.7

0.8

1028

118

1.15

44.3

6.8

658.5

0.08607787

0.1357

55

0.01869

2.6

60

1072.81

0.7

998

110

1.12

44.5

6.8

704.613

0.07312013

0.1232

35

0.01556

2.6

60

893.144

0.8

1088

120

1.18

44

6.8

578.832

0.09110187

0.1416

45

0.01734

2.6

60

995.316

0.7

1044

119

1.15

44.2

6.8

648.516

0.0764904

0.13685

55

0.01826

2.8

60

1044.47

0.7

1004

112

1.12

44.5

6.8

688.402

0.07355973

0.12544

35

0.01554

45

0.01775

55

0.01848

Debit Q (l/s) x 10

9700

9800

9600

-3

3

60

885.78

0.8

1097

120

1.18

44.8

6.8

590.52

0.09185547

0.1416

3

60

1011.75

0.8

1068

119

1.15

44.5

6.8

669.175

0.0894272

0.13685

3

60

1053.36

0.8

1017

118

1.13

44.5

6.8

696.696

0.0851568

0.13334

3

ω = 2 N/ 60

= Q (m /s)

-3

Head Pompa In (mH2O) x 10 = Head Pompa In (kPa)

Pmekanik = τ x ω = (Watt) x 10  = (kW)

2

-3

Head Pompa Out (kg/cm ) x 100 = Head Pompa Out (kPa) 3

PListrik = V x I = (Watt) x 10 =

(kW)

2

Menghitung Daya hidrolik Pompa  pada ρ 1000 kg/m ; g = 9,81 m/s Ppompa = ρ x g x ∆H x Q = (kW 14

C. GRAFIK Grafik Hubungan Antara Daya Hidrolik Pompa, Daya Hidrolik Turbin, Daya Mekanik, dan Daya Listrik terhadap Debit. 

Posisi Sudu Pompa 0.5 dan Sudu Turbin (35, 45, 55)

Grafik Daya terhadap Debit 1200

0.16 0.14

    )     ) 1000    t    t    t    a    t    a    W    W 800     (     (    a    n    i    p    b    m   r 600    o   u    P   T 400    a    a    y    y    a    a    D   D 200

0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02

0

    )    t    t    )    t    a    t    a    W     (    W     k    i     (    n    k    a    i    r     k    t    s    e    i    L    M   a    a    y    y    a    a    D    D

0 0.01561

0.01795

0.01831

Debit ( m /s) ᶟ



Posisi Sudu Pompa 2.5 dan Sudu Turbin (35, 45, 55)

Daya Pompa Daya Turbin Daya Mekanik Daya Listrik Poly. (Daya Pompa) Poly. (Daya Turbin) Poly. (Daya Mekanik) Poly. (Daya Listrik)

C. GRAFIK Grafik Hubungan Antara Daya Hidrolik Pompa, Daya Hidrolik Turbin, Daya Mekanik, dan Daya Listrik terhadap Debit. 

Posisi Sudu Pompa 0.5 dan Sudu Turbin (35, 45, 55)

Grafik Daya terhadap Debit 1200

0.16 0.14

    )     ) 1000    t    t    t    a    t    a    W    W 800     (    (    a    n    i    p    b    m   r 600    o   u    P   T 400    a    a    y    y    a    a    D   D 200

0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02

0

    )    t    t    )    t    a    t    a    W     (    W     k    i     (    n    k    a    i    r     k    t    e    s    i    L    M   a    a    y    y    a    a    D    D

0 0.01561

0.01795

0.01831

Daya Pompa Daya Turbin Daya Mekanik Daya Listrik Poly. (Daya Pompa) Poly. (Daya Turbin) Poly. (Daya Mekanik) Poly. (Daya Listrik)

Debit ( m /s) ᶟ



Posisi Sudu Pompa 2.5 dan Sudu Turbin (35, 45, 55)

Grafik Daya Terhadap Debit 1200

0.16 0.14     )    t    t    )    t 0.12    a    t    W   a     (    W 0.1     k    (    i     k    i 0.08    n    a    r     k    t    s    i 0.06    e    L    M   a    y 0.04    a    y    a    a    D 0.02    D

    )     ) 1000    t    t    t    a    t    a    W   W 800     (    (    a    n    i 600    p    b    m   r    o   u    P   T 400    a    a    y    y    a    a    D   D 200 0

0 0.01569

0.01756

0.01869

Daya Pompa Daya Turbin Daya Mekanik Daya Listrik Poly. (Daya Pompa) Poly. (Daya Turbin) Poly. (Daya Mekanik) Expon. (Daya Listrik)

Debit (m /s) ᶟ

15



Posisi Sudu Pompa 4.5 dan Sudu Turbin (35, 45, 55)

Grafik Daya Terhadap Debit 1200

0.16 0.14     )    t    t    ) 0.12    a    t    t    W   a    W 0.1     (    (     k    i     k    i 0.08    n    a    r     k    t    i    e    s 0.06    M   L    a    a    y    a 0.04    y    a    D    D 0.02

    )     ) 1000    t    t    t    a    t    a    W   W 800     (    (    a    n    i 600    p    b    m   r    o   u    P   T 400    a    a    y    y    a    a    D   D 200 0

0 0.01556

0.01734

Daya Turbin Daya Mekanik Daya Listrik Poly. (Daya Pompa) Expon. (Daya Turbin) Poly. (Daya Turbin) Expon. (Daya Mekanik)

0.01826

Poly. (Daya Mekanik)

Debit (m /s) ᶟ



Daya Pompa

Posisi Sudu Pompa 6.5 dan Sudu Turbin (35, 45, 55)

Grafik Daya Terhadap Turbin 1200

0.16 0.14

1000

    )     )    t    t    t    a    t    a    W   W 800     (    (    a    n    i 600    p    b    m   r    o   u    P   T 400    a    a    y    y    a    a    D   D 200

0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02

0

0 0.01554

0.01775

0.01848

Debit (m /s) ᶟ

16

    )    t    t    )    a    t    t    W   a     (    W     k    i     (    n    k    i    a    r     k    t    i    e    s    L    M   a    a    y    y    a    a    D    D

Daya Pompa Daya Turbin Daya Mekanik Daya Listrik Poly. (Daya Pompa) Expon. (Daya Turbin) Poly. (Daya Turbin) Expon. (Daya Mekanik) Poly. (Daya Mekanik)

BAB V KESIMPULAN

Berdasarkan analisa data dari praktikum yang telah kelompok kami lakukan, dapat ditarik kesimpulan, bahwa: 1. Jika debit air makin tinggi maka daya hidrolik yang dihasilkan akan semakin tinggi, daya poros akan semakin rendah karena head nya rendah 2.  pompa axial dirancang untuk beroperasi dalam berbagai aplikasi yang memerlukan gerakan flow air yang tinggi pada tekanan discharge yang rendah oleh karena itu untuk pompa axial yang dicari flow nya , head nya akan rendah. 3. Hubungan antara variabel debit (Q) dan efisiensi (η) , berguna untuk menghitung  pemakaian energi listrik ketika pompa beroperasi. 4. Efisiensi pompa akan meningkat bila penggunaan daya poros meningkat, sampai pada  batas tertentu akan menurun setelah mencapai nilai maksimum tercapai 5. Fungsi turbin adalah mengubah energi ketinggian air menjadi daya putaran poros, oleh karena pada turbinnya adalah turbin kaplan maka headnya rendah dan daya  putaran porosnya juga rendah. 6. Daya sangat tergantung pada besarnya torsi dan putaran. Besaran torsi berbanding terbalik dengan putaran turbin, debit air sangat berpengaruh terhadap torsi dan  putaran. 7. Terjadi ketidakakuratan pada data karena torsi meter tidak berfungsi dengan baik.

Saran : Sebelum mengoperasikan turbin air , sebaiknya lakukan kalibrasi alat ukur agar tidak terjadi kesalahan pengukuran.

17