LAPORAN PRAKTIKUM

LAB. OPTIMASI

TURBIN KAPLAN

Disusun Untuk Memenuhi Tugas Laporan Laboratorium Semester VI

PROGRAM STUDI TEKNIK KONVERSI ENERGI

Disusun Oleh :

Ardika Suranta Bintang Ajis Naibaho

NIM : 1005052056 NIM : 1005052053

JURUSAN TEKNIK MESIN

POLITEKNIK NEGERI MEDAN

MEDAN

2013

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah

memberikan petunjuk, rahmat serta kekuatan dan kesehatan bagi penulis sehingga dapat

menyelesaikan laporan ini.

Laporan ini merupakan bahan evaluasi dari praktikum yang telah dilaksanakan. Laporan

ini berisikan tentang teori, data serta kesimpulan dari percobaan.

Dalam menyelesaikan laporan ini, penulis mengucapkan terima kasih kepasa Bapak

Husin Ibrahim, M.T yang telah membimbing penulis sehingga penulis dapat mengetahui

bagaimana optimasi Turbin air (Kaplan)

Dalam penulisan laporan ini, penulis menyadari masih banyak terdapat kekurangan dan

kesilapan. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun

demi kesempurnaan laporan ini. Semoga laporan ini bermanfaat bagi pembaca.

Medan, Mei 2013

Penulis

BAB I

TEORI DASAR

A. PENGANTAR

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. Pada pemilihan turbin didasarkan pada kecepatan

spesifiknya. Turbin Kaplan ini memiliki kecepatan spesifik tinggi (high spesific speed). Turbin kaplan

bekerja pada kondisi head rendah dengan debit besar . Pada perancangan turbin Kaplan ini meliputi

perancangan komponen utama turbin Kaplan yaitu sudu gerak (runner), sudu pengarah (guide vane),

spiral casing , draft tube dan mekanisme pengaturan sudut bilah sudu gerak. Pemilihan profil sudu gerak

dan sudu pengarah yang tepat untuk mengasilkan torsi yang besar. Perancangan spiral casing dan draft

tube menggunakan persamaan empiris . Perancangan mekanisme pengatur sudut bilah (β) sudu gerak

dengan memperkirakan besar sudut putar maksimum sudu gerak berdasarkan jumlah sudu, debit air

maksimum dan minimum. Turbin Kaplan ini dirancang untuk kondisi head 4 m dan debit 5 m³/s.

Akhirnya dari hasil perancangan turbin Kaplan ini didapatkan dimensi dari komponen utama turbin yang

diwujudkan ke dalam bentuk gambar kerja dua dimensi.

Turbin Kaplan digunakan untuk tinggi terjun yang rendah, yaitu di bawah 20 meter. Teknik

mengkonversikan eerngi potensial air menjadi energi mekanik roda air turbindilakukan melalui

pemanfaatan kecepatan air. Roda air turbin Kaplan menyerupai baling-baling dari kipas angin.

Sudu roda jalan turbin Kaplan mirip roda propeller yang letak sudunya terpisah jauh satu dengan yang

lain. Memperlihatkan kaskade( cascade ) sudu roda jalan turbin Kaplan beserta segitiga kecepatan pada

bagian masuk dan keluar sudu. Menurut persamaan euler :

H. g = ( )

Disini u = u = u, dan bila dibuat c = 0 berarti air dikeluarkan tegak lurus, maka u = H . g/c . Bila c

kecil harga u cukup besar. Demikian pula dengan kecepatan putarnya. Bila kecepatan putar, n, besar maka

kecepatan spesifik, n , dapat dilaksanakan dengan harga yang besar pula

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 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 kaplan dapat diputar posisinya untuk

menyesuaikan kondisi beban turbin. Turbin kaplan banyak dipakai pada instalasi pembangkit listrk

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.

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

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.

Gambar

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.

Perbandingan karakteristik turbin dapat kita lihat pada grafik head (m) vs flow (m3/s) di bawah ini.

Dapat dilihat pada gambar diagram diatas turbin kaplan adalah turbin yang beroperasi pada head

yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi atau bahkan beroperasi pada kapasitas yang sangat

rendah. Hal ini karena sudu – sudu turbin kaplan dapat diatur secara manual atau otomatis untuk

merspon perubahan kapasitas.

Aplikasi penggunaan turbin berdasarkan tinggi head yang didapatkan adalah sebagai berikut ini :

1) Turbin Kaplan : 2 < H < 100 meter

2) Turbin Francis : 5 < H < 500 meter

3) Turbin Pelton : H < 30 meter

4) Turbin Banki : 2 < H < 200 meter

B. Kecepatan spesifik turbin

Kecepatan spesifik (ns), menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak berhubungan dengan

ukurannya. Hal ini menyebabkan desain turbin baru yang diubah skalanya dari desain yang sudah

ada, dengan performa yang sudah diketahui. 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.

Setelah kecepatan spesifik yang diinginkan diketahui, dimensi dasar dari bagian - bagian turbin dapat

dihitung dengan mudah.

Keluaran turbin dapat diperkirakan berdasarkan dari test permodelan. Replika miniatur dari

desain yang diusulkan, diameter sekitar satu kaki (0,3 m), dapat diuji dan hasil pengukuran

laboratorium dapat digunakan sebagai kesimpulan dengan tingkat keakuratan yang tinggi.

Debit yang melalui turbin dikendalikan dengan katub yang besar atau pintu gerbang yang disusun

diluar sekeliling pengarah turbin. Perubahan head dan debit dapat dilakukan dengan variasi bukaan

pintu, akan menujukkan efisiensi turbin dengan kondisi yang berubah-ubah.

Kecepatan spesifik dapat dihitung dengan menggunakan rumus :

Dengan : nt = putaran turbin (rpm)

Q = kapasitas aliran (m3/s)

H = tinggi air jatuh (m)

g = percepatan graviatsi (m/s2)

Perbandingan bentuk sudu turbin terhadap kecepatan spesifik turbin adalah sebagai berikut ini :

C. RUMUS – RUMUS

Karena pada umumnya dimensi utama turbin Kaplan prosedur penerapannya sama dengan

turbin prncis maka rumusnya pun tak jauh berbeda.

1. Nilai π= dD

, dimana d = diameter poros

D = diameter runner

nilai X = 0,35 – 0,60

2. Kapasitas Q, adalah : Q= π4+ ( D2−d 2 )V f

3. Efisiensi Turbin η=PgPh

4. Daya Hidrolik Ph = ρ . v . g . h

5. Daya Poros Ps = ω.

BAB II

Pelaksanaan Praktikum

A. Tujuan Praktikum

1. Mengerti Bagaimana fungsi fungsi turbin Kaplan dan menjelaskan perbedaan antara turbin aksi

dan reaksi

2. Mengukur harga harga dari laju Aliran Volume, kecepatan Turbin dan Torsi pada pariasi head dan

pembukaan katub dengan perbedaan sudut blade.

3. Mencari karakteristik Head – Discarge dan daya

4. Menentukan kecepatan laju turbin.

5. Menyelidiki fenomena kavitasi dengan menggunakan stroboskop

6. Menghitung unit kecepatan , torsi dan daya

7. Menggambar kurva karakteristik Turbin

8. Membuat evaluasi percobaan

B. Peralatan yang Dibutuhkan

1. Rangkaian percobaan turbin Kaplan

2. orifice meter

3. Preassure gauge

4. Torsi meter

5. Speed Meter

6. Multimeter

7. Instruction Manual turbin Kaplan

C. Prosedur Percobaan

1. Buatlah daftar semua symbol – symbol, termasuk satuan SI – nya

2. Set sudut pompa axial pada sudut yang di inginkan ( 150 )

3. Hubungkan rangkaian percobaan sesuai gambar

4. Set sudu turbin Kaplan pada sudut yang ditentukan

5. Set sudut pengarah pada salah satu posisi dimana percobaan harus di lakukan

6. On kan semua saklar pada rangkaian , buka penuh katub masuk dan tutup penuk katub

keluar pompa

7. Start pompa pada posisi low speed, tunggu beberapa saat, kemudian off

8. Tekan tombol high speed

9. On kan circuit breaker beban

10. Tambah kecepatan turbin dengan step step 150 ref/min

11. Ulangi prosedur diatas dan catat data yang di butuhkan

BAB III

Tabel Data, Analisa Data dan Grafik

DATA PENGUJIAN SUDUT BLADE ∅ =4

∝(Sudu

Pengalih)

Q(l/S)

SH(mH2O)

DH(mH2O)

T(Nm)

N(rpm)

V(Volt)

I(Ampere) Beban

25o556066

1,81,81,8

0,50,50,5

12,118,823,3

108010801080

22065 x 365 x 3

04,48,1

11,2

111222333

30o

75706560

1,81,81,81,8

0,50,50,50,5

24,720,015,08,6

1080108010801080

60 x 363 x 365 x 370 x 3

13,811,008,04,5

444333222111

35o

677575808587

1,81,81,81,81,81,8

0,50,50,50,50,50,5

8,714,919,122,925,728,0

108010801080108010801080

69 x 366 x 363 x 359 x 355 x 352 x 3

4,38,1

10,913,916,418,3

111222333444555666

40o

979590858075

1,81,81,81,81,81,8

0,50,50,50,50,50,5

28,925,823,320,415,89,0

108010801080108010801080

52 x 354 x 358 x 362 x 365 x 369 x 3

18,115,913,811,08,14,3

666555444333222111

BAB IV

ANALISIS DATA

BAB V

KESIMPULAN

Kesimpulan. Setelah melakukan pengumpulan data yang diteruskan dengan pembahasan dan perhitungan data pada bab sebelumnya, maka penguji dapat memberikan beberapa kesimpulan ,yaitu : Hasil perhitungan karakteristik turbin Pelton yang jauh dibawah karakteristik turbin yang direncanakan. Ada beberapa kemungkinan penyebab hal ini terjadi terutama kesalahan pada instrumen penelitian yang meliputi :

1. Spesikasi pompa sentrifugal yang digunakan untuk membangkitkan tinggi terjun dan debit aliran ternyata tidak mencukupi untuk tinggi terjun dan debit yang dibutuhkan instalasi turbin Pelton.

2. Rendahnya tingkat akurat dalam pembacaan alat ukur.

3. Nilai kerugian-kerugian yang terjadi pada aliran uida yang cukup besar. Kerugian-kerugian tersebut terjadi pada pipa, elbow dan nozzle, sehingga head turbin yang dihasilkan tidak maksimal.

4. Kerugian-kerugian mekanik yang cukup besar karena bentuk dan dimensi komponen turbin yang kasar, salah satunya pada sudu,poros, dan tromol rem prony pada instalasi turbin Pelton, sehingga per formance(kinerja) turbin yang dihasilkan tidak maksimal.