tugas akhir 2013 - Perpustakaan Universitas Mercu Buana

TUGAS AKHIR 2013
BAB III
KEBUTUHAN DAN PERALATAN PLTMH
3.1 Skema pembangkit PLTMH dan PLTA
Sebelum mengetahui apa saja peralatan yang digunakan untuk membangun
sebuah PLTMH, harus diketahui skema, sistem dan layout bagaimana energi listrik dapat
dihasilkan. Pada umumnya skema pembangkit listrik tenaga mikro hydro tidak berbeda
jauh dengan PLTA karena prinsip dasarnya adalah memanfaatkan energi yang ada pada
fluida dalam hal ini adalah air baik dari debitnya, kecepatan atau laju alirannya dan
faktor ketinggian dari air tersebut. Yang membedakan adalah besarnya energi listrik
yang dihasilkan dari pembangkit tersebut. PLTA menghasilkan energi listrik yang besar
umumnya listrik yang dihasilkan di atas 1 mega Watt. Sedangkan PLTMH menghasilkan
listrik dibawah 1 mega Watt. Berikut adalah perbedaan skema dari PLTMH dan PLTA.
Gambar 3.1 Skema PLTMH
TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MERCUBUANA
Page 25
TUGAS AKHIR 2013
Gambar 3.2 Layout PLTMH
Sumber : http://enerbi.co.id/wp-content/uploads/PLTMH-Run-of-river.jpg
Gambar 3.3 Skema PLTA
TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MERCUBUANA
Page 26
TUGAS AKHIR 2013
Gambar 3.4 Layout PLTA
Sumber : https://encrypted-tbn2.gstatic.com/images
Pada gambar di atas terlihat perbedaan antara PLTMH dan PLTA. Sistem yang
digunakan PLTMH sangat sederhana. Sedangkan pada PLTA, sistem yang digunakan
rumit dan banyak peralatan yang dibutuhkan sampai ke pelanggan dikarenakan energi
listrik yang dihasilkan sangat besar pada kisaran mega Watt.
TUGAS AKHIR 2013
3.2 Daerah Aliran Sungai (DAS) dan Waduk
3.2.1 Daerah Aliran Sungai (DAS)
Sumber energi yang paling utama dari PLTMH adalah fluida dalam hal ini adalah
air. Jika debitnya besar dan laju alirannya tinggi,maka dapat dimanfaatkan untuk
menggerakan sudu-sudu turbin yang terhubung dengan generator dimana energi
potensial dan energi kinetik yang dimiliki fluida tersebut dapat dikonversi menjadi energi
mekanik.
Untuk mendapatkan volume dan laju aliran tersebut maka dibutuhkan suatu aliran
sungai atau dengan membuat sebuah waduk buatan. DAS atau daerah aliran sungai
biasanya banyak dimanfaatkan untuk membuat PLTMH karena sudah terbentuk secara
alami dan banyak terdapat di daerah daerah di pedesaan. Di Indonesia sendiri, PLTMH
mulai banyak diminati karena dapat dibangun dengan biaya yang rendah dan banyaknya
sumber aliran sungai.
Pemilihan DAS harus benar-benar dipastikan bahwa aliran tersebut selalu stabil
dan continue, tidak terpengaruh oleh musim terutama jika musim kemarau. Karena debit
air tersebut akan sangat berpengaruh sekali terhadap energi listrik yang dihasilkan, bersih
dari sampah karena dapat menyumbat aliran air yang akan melewati pipa pesat
(penstock) mengalir ke turbin, dapat menghambat kerja dari turbin sehingga berpengaruh
terhadap listrik yang dihasilkan, dan dapat merusak peralatan-peralatan tersebut.
Gambar.3.5 adalah salah satu sistem PLTMH sederhana yang umum dibuat pada
sekitar daerah aliran sungai dimana laju aliran air yang stabil menuju ke bak penenang,
keluar melalui pipa pesat, dan masuk ke power house untuk menggerakan sudu sudu
turbin yang terhubung ke generator. Di generator tersebut listrik dibangkitkan.
TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MERCUBUANA
Page 28
TUGAS AKHIR 2013
Gambar 3.5 Layout PLTMH tampilan detail dan 3D dengan software Unigraphics
3.2.2 Waduk
Selain aliran sungai yang mengalir secara continue, sumber yang lain untuk
PLTMH adalah dengan membangun waduk buatan. Waduk dibuat untuk menampung air
pada saat curah hujan tinggi bisa berfungsi sebagai saluran pelimpahan dari sungaisungai kecil agar tidak terjadi banjir. Volume air yang besar dapat dimanfaatkan
TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MERCUBUANA
Page 29
TUGAS AKHIR 2013
energinya untuk membuat sebuah pembangkit listrik. Tentu saja pembangunan waduk
buatan membutuhkan biaya yang lebih besar. Selain untuk pembangkit tenaga listrik,
waduk tersebut dapat juga dimanfaatkan untuk pengairan dan irigasi. Ada juga waduk
yang sudah terbentuk karena faktor alam atau sudah terbentuk dengan sendirinya.
Gambar 3.6 Waduk buatan di Rusia
Sumber : forum.kompas.com
3.3 Bak penenang
Bak penenang dibutuhkan untuk menampung air agar volume yang mengalir ke
turbin dijaga agar selalu stabil sesuai dengan perencanaan, baik pada saat debit air kecil
ketika dimusim kemarau ataupun ketika debit air naik pada saat musim hujan sehingga
energi listrik yang dihasilkan tidak mengalami perubahan yang signifikan. Bak penenang
juga berfungsi sebagai penyaring dari sampah-sampah, menampung sedimen-sedimen
yang ikut terbawa aliran air sehingga tidak menyumbat saluran yang akan masuk ke
turbin terutama di pipa pesat yang mempunyai diameter yang kecil yang dapat
TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MERCUBUANA
Page 30
TUGAS AKHIR 2013
mempengaruhi kerja dari turbin dan generator. Bak penenang umumnya dibuat untuk
PLTMH yang debit airnya selalu berubah- ubah. Contoh bak penenang seperti pada
gambar 3.5 point 2.
3.4 Pipa pesat (penstock)
Peralatan lain dalam perencanaan PLTMH adalah pipa pesat (penstock). Pipa
pesat berfungsi mengalirkan air yang sudah ditampung dalam bak penenang ke turbin.
Dalam pipa pesat inilah energi yang sesungguhnya dioptimalkan. Pemakaian pipa pesat
harus dihitung kekuatannya dan bahan yang digunakan karena dalam pipa pesat ada gaya
yang bekerja dan harus kuat menahan tekanan dan gaya-gaya dari air. Selain itu pipa
pesat juga berfungsi merubah energi pada air.
Beberapa bahan pipa pesat yaitu besi, baja, beton, fiber, baja komposit, polymer,
dll. Faktor perencanaan dan kondisi wilayah juga dapat menentukan jenis bahan apa
yang dipergunakan. Sebagai contoh untuk daerah yang ekstrim dapat digunakan pipa
pesat dengan bahan dari logam atau baja. Karena selain kuat, juga dapat menahan
benturan dan faktor alam serta cuaca sehingga tidak mudah rusak dan pecah. Untuk
daerah yang DAS nya dekat dengan power house atau dengan head rendah, dapat
digunakan pipa pesat dengan bahan polymer seperti pvc.
Untuk menghitung diameter pipa pesat dapat digunakan rumus persamaan
kontinuitas yang telah dibahas pada bab 2. Ketebalan dari pipa pesat perlu
diperhitungkan supaya dapat menahan tekanan dari dalam dan juga tidak terlalu tebal
karena berhubungan dengan biaya dimana jika semakin tebal pipa maka harganya pun
akan semakin mahal. Jadi perlu perhitungan yang spesifik untuk menentukan diameter
dan ketebalan pipa pesat.
TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MERCUBUANA
Page 31
TUGAS AKHIR 2013
Rumus untuk mencari ketebalan dinding batang pipa :
T = dp/20σtkmat + p…..(3.1)
Akatherm. Basic Calculation
Dimana :
T
= Tebal dinding minimum
(mm)
p
= tekanan dalam pipa
(N/m²)
d
= diameter luar
(m)
σtkmat
= Tegangan tekan material
(N/m²)
Dalam pemasangan pipa pesat di plant, usahakan meminimalkan tikungan atau
kelokan untuk memaksimalkan energi yang ada pada fluida sehingga energi yang
terbuang (losses) sedikit. Pemasangan pipa pesat yang baik seperti ditunjukan pada
gambar 3.7.
Gambar 3.7 Desain layout pipa pesat
Sumber : Hydro penstock (redraw)
TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MERCUBUANA
Page 32
TUGAS AKHIR 2013
Gambar 3.7.1 adalah contoh pemasangan pipa pesat yang sangat baik dimana
pipa dipasang langsung menuju power house tanpa adanya banyak kelokan pipa
(elbow).
Gambar 3.7.2 adalah contoh pemasangan pipa pesat yang baik jika bagian atas
terlalu curam, filter yang tersumbat dapat menarik udara dalam pipa. Sedikit
kemiringan dapat menjebak sedimen dan partikel-partikel.
Gambar 3.7.3 adalah contoh pemasangan pipa pesat yang cukup, aliran di bagian
atas akan lamban, dibutuhkan pipa yang lebih besar dan kemungkinan keran
dipasang untuk mendapatkan kecepatan aliran untuk mencocokan tingkat di
bagian bawah.
Gambar 3.7.4 adalah contoh pemasangan pipa pesat yang kurang baik. Bagian
atas yang miring dapat menjebak sedimen. Udara dapat terjebak di tempat yang
tinggi.Udara perlu dibuang dari tempat yang tinggi.
Untuk jenis turbin dengan head yang tinggi, maka perlu diperhitungkan gaya-gaya
dan losses yang timbul, karena akan berdampak adanya aliran yang tidak stabil
(turbulensi) karena semakin cepatnya aliran air di dalam pipa dan juga kekasaran dari
material pipa. Masalah seperti turbulensi, penurunan energi akibat adanya gesekan antara
air dan dinding pipa juga perlu diperhitungkan agar energi yang dimanfaatkan maksimal.
Sebagian dari perubahan tekanan disebabkan oleh perubahan ketinggian dan
sebagian disebabkan oleh kerugian head yang berkaitan dengan efek gesekan, yang
dinyatakan dalam faktor gesekan. Karena itu kekasaran pada pipa juga dapat
mempengaruhi faktor gesekan yang terjadi.
TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MERCUBUANA
Page 33
TUGAS AKHIR 2013
Tabel 3.1. kekasaran Ekivalen pipa baru [dari Moody (ref.7) dan Colebrook (ref.8)]
Jenis pipa
Kekasaran Ekivalen, ε (mm)
Baja
0,9 – 9,0
Beton
0,3 – 3,0
Kayu diamplas
0,18 – 0,9
Besi tuang
0,26
Besi galvanisir, tuang
0,15
Besi tempa
0,045
Pipa saluran
0,0015
Plastik, gelas
0,00 ( halus )
Sumber : Mekanika fluida (Bruce R, Donald F, Theodore H)
Tabel 3.1 adalah nilai untuk pipa baru. Jika sudah lama biasanya akan muncul
karat dan korosi pada dinding pipa, maka nilai tersebut akan berubah naik sesuai dengan
kondisi pipa.
Gambar 3.8 Aliran dalam pipa di dekat dinding kasar dan halus
Sumber : Mekanika fluida (Bruce R, Donald F, Theodore H) (redraw)
TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MERCUBUANA
Page 34
TUGAS AKHIR 2013
Penurunan tekanan dan kerugian head dalam sebuah pipa tergantung pada
tegangan geser dinding antara fluida dan permukaan pipa. Sebuah perbedaan antara
aliran laminar dan turbulen adalah bahwa tegangan geser untuk aliran turbulen adalah
fungsi dari kerapatan fluida ρ. Untuk aliran laminar, tegangan geser tidak tergantung
pada kerapatan, sehingga hanya viskositas µ yang menjadi sifat fluida yang penting.
Penurunan tekanan untuk aliran turbulen tunak, tak mampu mampat di dalam pipa
bundar horizontal berdiameter dapat ditulis dengan :
∆p = p.v.d.l.ε.µ.ρ…..(3.2)
Mekanika fluida : 2003
Penurunan tekanan pada pipa lurus :
∆p = ε.(l/d).(ρ/2.102).(v2) ….. (3.3)
Akatherm. Basic Calculation
Penurunan tekanan pada pipa kelokan :
∆p = fr.(ρ/2.105).(v2) …..(3.4)
Akatherm. Basic Calculation
Dimana :
∆p = Penurunan tekanan
(N/m²)
p
= Tekanan
(N/m²)
v
= Kecepatan fluida
(m/s)
d
= Diameter dalam pipa
(m)
l
= Panjang pipa
(m)
TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MERCUBUANA
Page 35
TUGAS AKHIR 2013
ε
= kekasaran ekivalen
(m)
µ
= viskositas fluida
(N.s/m2)
ρ
= Densitas fluida
(kg/m³)
fr
= faktor tahanan pipa belok (sesuai tabel 3.2)
Tabel 3.2. Nilai tahanan pipa belok
Sumber : Akatherm. Basic Calculation.
TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MERCUBUANA
Page 36
TUGAS AKHIR 2013
Pada diagram moody gambar 3.9 dapat dilihat bentuk aliran lamianar dan
turbulen dengan faktor kekasaran di dalam sebuah pipa dan jenis pipa yang digunakan.
Gambar 3.9 grafik faktor gesekan sebagai fungsi dari bilangan Reynolds dan kekasaran
relatif pipa bundar-Diagram Moody (data dari ref.7)
Sumber : Mekanika fluida (Bruce R, Donald F, Theodore H)
Untuk aliran laminer dan turbulen terdapat rumus yang berbeda. Sebagai patokan apakah
suatu aliran itu laminer atau turbulen, dipakai bilangan Reynolds:
Re = vd/ µ …..(3.5)
Mekanika fluida : 2003
Dimana :
Re = bilangan Reynolds
v
= kecepatan rata-rata aliran di dalam pipa (m/s)
d
= diameter dalam pipa (m)
TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MERCUBUANA
Page 37
TUGAS AKHIR 2013
µ
= viskositas fluida
(N.s/m2)
untuk Re < 2300, aliran bersifat laminar
untuk 2300 < Re < 4000, aliran bersifat transisi
untuk Re > 4000, aliran bersifat turbulen
3.5 Turbin
Turbin adalah sebuah alat yang digunakan untuk mengubah energi kinetik dan
potensial air menjadi energi mekanik atau energi gerak putar lalu dihubungkan dengan
generator untuk membangkitkan energi listrik. Ada banyak jenis turbin yang dipakai
sesuai kebutuhan. Pemilihan jenis turbin disesuaikan dengan head dan tekanan fluida.
Untuk head yang tinggi yang memanfaatkan aliran dan kecepatan fluida umumnya
dipakai turbin jenis pancaran (impuls). Dan untuk head yang rendah memanfaatkan
tekanan lebih, maka umum digunakan turbin reaksi karena adanya aksi dan reaksi pada
fluida yang bertekanan sesuai hukum newton.
3.5.1. Turbin tekanan sama atau pancaran bebas (impuls)
Turbin impuls atau turbin tekanan sama adalah turbin yang memanfaatkan energi
potensial air yang diubah menjadi energi kecepatan pada air dengan memancarkan air
tersebut melalui nozzle yang dipasangkan pada ujung pipa pesat (penstock) yang
diarahkan ke sudu-sudu yang terdapat pada turbin, tekanannya sama dengan tekanan
sekitarnya atau atmosphere. Kecepatan aliran air yang tinggi inilah yang dimanfaatkan
untuk memutar turbin. Yang termasuk dalam jenis turbin ini adalah :
1. Turbin Pelton
Turbin ini umum digunakan dengan memanfaatkan head yang tinggi untuk
mendapatkan kecepatan yang tinggi. Rotor turbin Pelton dilengkapi dengan sudusudu yang dipasang pada sekeliling disc. Sudu-sudu ini akan menerima tumbukan
TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MERCUBUANA
Page 38
TUGAS AKHIR 2013
pancaran air dari nozzle, sehingga sudu-sudu akan bergerak. Arah aliran pada
turbin ini bekerja pada arah tangensial. Untuk mendapatkan kecepatan putaran
yang tinggi, turbin ini dapat memakai lebih dari satu nozzle.
Gambar 3.10 Turbin Pelton
Sumber : www.Voith.com
TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MERCUBUANA
Page 39
TUGAS AKHIR 2013
Gambar 3.11 Detail Turbin Pelton
Sumber : www.google.com
TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MERCUBUANA
Page 40
TUGAS AKHIR 2013
2. Turbin Crossflow
Turbin crossflow merupakan salah satu jenis turbin impuls atau juga biasa disebut
turbin osberger yang merupakan perusahaan yang memproduksi turbin
Crossflow. Turbin ini dapat dioperasikan pada debit 20 liter/detik sampai
10m3/detik dan head dikisaran 1-200 meter. Turbin crossflow menggunakan
nozzle yang sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai
sudu-sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanik. Air
mengalir keluar membentur sudu dan memberikan energinya (lebih rendah
dibanding saat masuk) kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin terbuat dari
beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel. Kerjanya roda jalan
turbin ini adalah seperti turbin pleton yaitu hanya sebagian sudu-sudu yang
bekerja membalikan aliran air. Seperti halnya turbin Pelton, arah aliran turbin ini
bekerja pada arah tangensial.
Gambar 3.12 Aliran air pada turbin crossflow
Sumber : www.google.com
TUGAS AKHIR 2013
Gambar 3.13 Detail Turbin Crossflow
Sumber : http://cink-hydro-energy.com
3.5.2 Turbin Reaksi (Tekanan lebih)
Pancaran air yang mengenai dinding akan timbul suatu aksi atau gaya
dorong/tumbukan. Pancaran air ini akan menumbuk dan mendorong dinding, sehingga
dinding tersebut akan bergeser atau berpindah, dan bila dindingnya kuat, maka dinding
akan melawan pancaran air. Arah dari pancaran air tersebut akan belok, dengan demikian
akan ada perubahan besaran air yang bergerak. Turbin jenis ini bekerja atas gabungan
dari kecepatan air dan tekanan. Perbedaan tekanan terjadi pada saluran masuk dan
saluran keluar. Pada turbin jenis ini, sudu sudu gerak berada di dalam air. Yang
tergolong jenis turbin ini adalah :
TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MERCUBUANA
Page 42
TUGAS AKHIR 2013
1. Turbin Kaplan
Turbin Kaplan termasuk salah satu turbin tekanan lebih dimana sudu-sudu
penggeraknya terdapat di dalam air atau terendam. Kelebihan turbin ini adalah dapat
dioperasikan pada head yang rendah, dan terdapat sudu pengarah yang dapat
disesuaikan dengan debit air yang tidak stabil. Turbin Kaplan termasuk kelompok
turbin air reaksi jenis baling-baling (propeller), seperti halnya kincir angin yang
diterpa angin maka akan berputar. 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 head
dibawah 20 meter dan debit di atas 1m3/detik. Makin besar debit air yang mengalir,
akan makin kecil tinggi air jatuh yang dapat dimanfaatkan karena tinggi air
permukaan atas adalah tetap konstan sedangkan kelebihan pada permukaan air bawah
akan naik. Arah aliran air turbin ini adalah bekerja pada arah aksial atau sejajar
dengan poros turbin.
Gambar 3.14 Turbin Kaplan
Sumber : www.Voith.com
TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MERCUBUANA
Page 43
TUGAS AKHIR 2013
4
1
2
3
5
Gambar 3.15 AliranTurbin Kaplan
Sumber : www.Voith.com
TUGAS AKHIR 2013
2. Turbin Francis
Turbin Francis bekerja juga memakai tekanan lebih. Pada saat air masuk ke roda
jalan, sebagian dari energi tinggi jatuh telah bekerja di dalam sudu pengarah
diubah sebagai kecepatan arus masuk. Sisa energi tinggi jatuh dimanfaatkan di
dalam sudu jalan. Dengan adanya pipa isap memungkinkan energi tinggi jatuh
bekerja di sudu jalan dengan semaksimum mungkin. Turbin yang dikelilingi sudu
pengarah semuanya terbenam dalam air. Daya yang dihasilkan turbin bisa diatur
dengan cara mengubah posisi pembukaan sudu pengarah, dengan demikian
kapasitas air yang masuk ke dalam roda turbin bisa diperbesar atau diperkecil.
Arah aliran air turbin ini adalah bekerja pada arah gabungan dari radial dan
aksial.
2
3
1
4
Gambar 3.16 AliranTurbin Francis
Sumber : www.Voith.com
TUGAS AKHIR 2013
Gambar 3.17 Penampang Turbin Francis
Sumber : www.Voith.com
3.5.3 Pemilihan tipe turbin
Untuk sudu-sudu yang mempunyai kelengkungan tajam, cocok digunakan pada
tempat yang memiliki head tinggi dan makin rendah headnya, kelengkungan sudu yang
diperlukan makin sedikit. Dari suatu tinggi air jatuh, dapat diperoleh daya spesifik yang
dihasilkan turbin. Kapasitas aliran air menentukan berapa besar diameter pipa pesat yang
akan digunakan didapat dari persamaan kontinuitas. Pada roda turbin gambar 3.18
1 = D1 . π . b1…..(3.5)
Turbin pompa dan kompresor : 1980
TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MERCUBUANA
Page 46
TUGAS AKHIR 2013
Gambar 3.18 Hubungan antara D1 dan b1 pada perencanaan luas saluran
Sumber : Turbin Pompa dan Kompressor (Fritz Dietzel) redraw
TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MERCUBUANA
Page 47
TUGAS AKHIR 2013
3.5.4 Kecepatan putaran turbin
Dalam menentukan kecepatan putaran sedapatnya ditentukan setinggi mungkin,
karena dengan kecepatan putar yang tinggi akan didapat momen puntir (kopel) yang
kecil, poros yang kecil, dan diameter roda turbin yang kecil serta ukuran-ukuran bagian
mesin lainnya kecil terutama generator. Kecepatan keliling yaitu :
u1 = D1.π.n…..(3.6)
Turbin pompa dan kompresor : 1980
Kecepatan keliling akan meningkat dengan semakin besarnya n.
Kecepatan spesifik adalah dasar untuk menentukan besaran-besaran selajutnya.
Jadi untuk mendapatkan tinggi air jatuh yang maksimum, jumlah sudu roda turbin,
perbandingan b/D, randemen yang diharapkan, kondisi turbin dan yang lainnya. Dengan
diketahuinya nilai nq, maka dapat diketahui pula konstruksi turbin keseluruhannya dan
kondisi kerjanya. Kecepatan spesifiq nq dipakai sebagai tanda batasan untuk
membedakan tipe roda turbin dan dipakai sebagai suatu besaran yang penting dalam
merencanakan turbin air.
. √³
. ¾ …..(3.7)
Turbin pompa dan kompresor : 1980
Dimana :
nq = Kecepatan spesifiq (min-1)
n
= Kecepatan putar (rpm) turbin yang ditentukan (1/menit)
Q = Kapasitas air
h
(m3/detik)
= Tinggi air jatuh (m)
TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MERCUBUANA
Page 48
TUGAS AKHIR 2013
Bila disebutkan maka nq adalah jumlah putaran roda turbin yang bekerja pada
tinggi air jatuh h = 1m dan kapasitas air Q = 1 m3/detik ( dengan jumlah putaran yang
tertentu n/menit). Turbin yang bekerja pada tinggi jatuh air yang berbeda dan kapasitas
air yang berbeda, dan bekerja pada putaran yang telah ditentukan n/menit dan
mempunyai harga nq yang sama, maka turbin tersebut secara bentuk adalah sama/mirip.
Besar ukuran-ukuran pokoknya berbeda, diameter roda turbin berbeda dan lebar rodanya
pun berbeda, tetapi bentuk sudu, sudut sudu pengarah, sudut sudu jalan, perbandingan
diameter roda/lebarnya adalah sama. Selain itu turbin dapat direncanakan untuk
kecepatan putar n yang tertentu, tinggi air jatuh yang sama, kapasitas air sama, tetapi
bekerja dengan tipe sudu yang berbeda. Dari perbedaan roda turbin, meskipun untuk
besarnya daya yang dihasilkan turbin sama, akan memberikan bentuk roda dan kecepatan
spesifik nq yang berbeda pula.
Dalam membuat roda turbin, umumnya membuat desain modelnya, setelah model
tersebut diuji dianalisa sehingga didapat daya dan randemen turbin yang baik, kemudian
dibuat roda turbin yang sesungguhnya dengan menurut model tersebut. Gambar 3.19
adalah penggunaan beberapa jenis turbin sesuai penggunaan, head dan putaran spesifik.
Dalam daerah yang dibatasi dengan garis, terdapat banyak jenis turbin yang dibuat.,
sebetulnya garis tersebut sudah bukan merupakan garis batas lagi. Karena ada turbin
yang titik muatan beban penuhnya (titik pada kondisi beban maksimum turbin) terletak
di bawah atau di atas daerah yang diberi tanda. Titik beban penuh turbin dapat juga
memang terletak di bawah daerah tersebut, bila dari kondisi tempat membutuhkan
pemasangan turbin dengan khusus dan berdasarkan alasan untuk menghindari kavitasi.
TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MERCUBUANA
Page 49
TUGAS AKHIR 2013
Gambar 3.19 Daerah penggunaan beberapa jenis konstruksi yang berbeda
Sumber : www.Voith.com
Tabel 3.3. Efisiensi turbin ( Wiratman ,1975, Rustiati,1996)
No
Jenis Turbin
Effisiensi (ηt) %
head (m)
1.
Pelton
89 – 90
300-2000
2.
Francis
90 – 94
25-350
3.
Cross-Flow
89 – 90
100-1000
4.
Kaplan
89 – 91
5-150
5
Propeller
85 – 94
5-100
TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MERCUBUANA
Page 50
TUGAS AKHIR 2013
3.6 Generator
Generator adalah sebuah alat yang digunakan untuk mengubah energi mekanik
dari turbin menjadi energi listrik untuk dapat dimanfaatkan oleh umat. Terhubung
langsung dengan turbin dalam satu poros, ada pula sambungan antara turbin dan
generator dihubungkan oleh kopling, beberapa ada pula yang menggunakan transmisi
roda gigi. Bagian-bagian generator adalah sebuah lilitan kawat tembaga yang dilapisi
lapisan resistansi agar antara satu kawat tembaga dengan kawat tembaga lainnya tidak
terjadi hubungan yang dapat mengakibatkan generator tidak dapat beroperasi. Kawat
tembaga tersebut melilit sebuah poros diantara baja silicon yang berputar sejajar terhadap
sumbu turbin. Bagian yang berputar ini disebut rotor. Selain itu ada pula bagian lilitan
kawat tembaga yang tidak berputar atau diam menempel pada dinding rumah generator
atau biasa disebut stator.
Gambar 3.20 Penampang sebuah Generator
Sumber : Google.com
TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MERCUBUANA
Page 51
TUGAS AKHIR 2013
3.6.1 Rotor
Rotor adalah bagian non-stasioner motor listrik berputar, pembangkit listrik atau
alternator, yang berputar karena kabel dan medan magnet motor diatur sedemikian rupa
sehingga torsi dikembangkan tentang sumbu rotor. Dalam beberapa desain, rotor dapat
bertindak untuk melayani sebagai dinamo motor, dimana tegangan input diberikan.
Kerugian rotor, bentuk penting dari kerugian daya pada motor induksi, sebagian besar
tapi tidak sepenuhnya proporsional dengan kuadrat slip ( slip perbedaan antara kecepatan
rotasi medan magnet dan rpm aktual rotor pada beban yang diberikan ). Dengan
demikian kerugian rotor dikurangi dengan mengurangi tingkat slip untuk beban yang
diberikan. Hal ini dilakukan dengan meningkatkan massa konduktor rotor ( konduktor
bar dan akhir piring ) atau meningkatkan konduktivitas mereka, dan pada tingkat lebih
rendah dengan meningkatkan jumlah medan magnet di celah udara antara rotor dan
stator. Efisiensi listrik motor dapat ditingkatkan dengan mengganti standar aluminium
konduktor listrik dalam motor rotor dengan tembaga, yang memiliki konduktivitas listrik
yang lebih tinggi.
Gambar 3.21 Rotor
Sumber : Google.com
TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MERCUBUANA
Page 52
TUGAS AKHIR 2013
3.6.2 Stator
Stator merupakan bagian yang diam atau statis pada generator. Perangkat ini
dapat berupa magnet permanen atau elektromagnet. Dimana stator merupakan
elektromagnet, kumparan yang memberikan energi ini dikenal sebagai bidang gulungan
atau gulungan medan. Kumparan dapat berupa tembaga atau aluminium. Untuk
mengurangi kerugian beban di motor, produsen selalu menggunakan tembaga sebagai
bahan melakukan dalam gulungan. Aluminium, karena konduktivitas listrik yang lebih
rendah, mungkin merupakan bahan alternatif dalam motor tenaga kuda fraksional,
terutama ketika motor digunakan untuk jangka waktu yang sangat singkat. Sebuah
alternator AC mampu menghasilkan listrik didaya arus tinggi beberapa kumparan
generasi dihubungkan secara paralel, menghilangkan kebutuhan untuk komutator.
Menempatkan kumparan medan pada rotor memungkinkan untuk mekanisme slip ring
murah untuk mentransfer tegangan tinggi, arus listrik rendah untuk bidang gulungan
berputar. Ini terdiri dari rangka baja melampirkan inti silinder berongga ( terdiri dari
laminasi baja silikon ). Laminasi adalah untuk mengurangi kerugian histeresis dan arus
eddy.
Gambar 3.22 Stator
Sumber : Google.com
TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MERCUBUANA
Page 53