Assalamuโalaikum Prof. DAI.
Perkenalkan, saya Ariq Rayyan Firman, mahasiswa Teknik Mesin, Universitas Indonesia.
Pada tulisan ini saya akan menjelaskan bagaimana cara merancang sebuah turbin impuls, dengan mengambil contoh Turbin Pelton. Turbin Pelton merupakan salah satu jenis turbin impuls yang memanfaatkan energi kinetik dari jet air untuk menghasilkan putaran pada runner.
1. Menentukan Kondisi Awal
Tahap pertama adalah menentukan kondisi sumber air yang akan digunakan. Data utama yang diperlukan adalah:
- Head air (H)
- Debit air (Q)
- Massa jenis air (ฯ)
- Percepatan gravitasi (g)
Daya hidrolik yang tersedia dapat dihitung menggunakan:
Pโ = ฯ ร g ร Q ร H
Daya hidrolik ini menjadi dasar untuk mengetahui potensi daya yang dapat dihasilkan turbin.
2. Menentukan Kecepatan Jet
Air dari reservoir diarahkan menuju nozzle. Nozzle berfungsi mengubah energi potensial air menjadi energi kinetik.
Kecepatan jet dapat ditentukan menggunakan:
Vโ = Cแตฅ ร โ(2 ร g ร H)
Keterangan:
- Vโ = kecepatan jet air
- Cแตฅ = koefisien kecepatan nozzle
- g = percepatan gravitasi
- H = head air
Kecepatan jet ini menjadi dasar dalam menentukan ukuran runner dan kecepatan putaran turbin.
3. Menentukan Diameter Nozzle
Setelah mengetahui kecepatan jet, selanjutnya menentukan diameter nozzle berdasarkan debit air.
Persamaan kontinuitas yang digunakan:
Q = A ร Vโ
Karena nozzle berbentuk lingkaran:
A = ฯ ร dยฒ / 4
Sehingga diameter nozzle dapat ditentukan dengan:
d = โ(4 ร Q / (ฯ ร Vโ))
Keterangan:
- Q = debit air
- A = luas penampang nozzle
- Vโ = kecepatan jet
- d = diameter nozzle
4. Menentukan Kecepatan Runner
Selanjutnya ditentukan kecepatan keliling runner atau bucket speed.
Hubungan antara kecepatan bucket dan kecepatan jet dapat ditulis:
u = Kแตค ร Vโ
Keterangan:
- u = kecepatan keliling runner
- Kแตค = speed ratio
- Vโ = kecepatan jet
Pada desain awal Turbin Pelton, speed ratio biasanya berada di sekitar 0,46โ0,50.
5. Menentukan Putaran dan Diameter Runner
Setelah kecepatan runner ditentukan, diameter runner dan putaran dapat ditentukan menggunakan hubungan:
u = (ฯ ร D ร N) / 60
Keterangan:
- u = kecepatan keliling runner
- D = diameter runner
- N = putaran runner
Jika putaran sudah ditentukan, diameter runner dapat dicari dengan:
D = (60 ร u) / (ฯ ร N)
Jadi, pada tahap ini kita mulai menentukan ukuran utama dari runner turbin.
6. Merancang Bucket
Setelah runner ditentukan, selanjutnya adalah merancang bucket.
Bucket merupakan bagian turbin yang menerima langsung jet air dari nozzle. Bentuk bucket dirancang agar arah aliran air dapat berubah secara efektif sehingga menghasilkan perubahan momentum yang menyebabkan runner berputar.
Beberapa parameter yang perlu diperhatikan dalam merancang bucket adalah:
- Diameter bucket
- Lebar bucket
- Kedalaman bucket
- Sudut masuk
- Sudut keluar
- Jumlah bucket
- Jarak antar-bucket
Dasar perhitungan gaya pada bucket menggunakan persamaan momentum:
F = แน ร (Vwโ โ Vwโ)
dengan:
แน = ฯ ร Q
Keterangan:
- F = gaya yang dihasilkan
- แน = laju aliran massa
- Vwโ = komponen kecepatan tangensial saat masuk
- Vwโ = komponen kecepatan tangensial saat keluar
- ฯ = massa jenis air
- Q = debit air
7. Menentukan Torsi
Gaya tangensial yang dihasilkan oleh perubahan momentum air akan menghasilkan torsi pada runner.
Rumus yang digunakan:
T = Fโ ร r
Keterangan:
- T = torsi
- Fโ = gaya tangensial
- r = jari-jari runner
8. Menentukan Daya Turbin
Setelah mendapatkan torsi, daya mekanik turbin dapat ditentukan dengan:
P = T ร ฯ
Kecepatan sudut dapat dihitung menggunakan:
ฯ = (2 ร ฯ ร N) / 60
Sehingga:
P = T ร (2 ร ฯ ร N / 60)
Dengan persamaan tersebut, kita dapat mengetahui daya mekanik yang dihasilkan oleh runner.
9. Menentukan Efisiensi
Tahap terakhir adalah menentukan efisiensi turbin.
Efisiensi dapat dihitung dengan membandingkan daya keluaran turbin dengan daya hidrolik yang tersedia:
ฮท = Pโแตคโ / Pโ
atau:
ฮท = Pโแตคโ / (ฯ ร g ร Q ร H)
Semakin besar daya yang berhasil dikonversikan dari energi air menjadi daya mekanik, maka semakin tinggi efisiensi turbin.
Kesimpulan
Secara sederhana, proses merancang Turbin Pelton dapat dilakukan dengan urutan:
Head & Debit
โ
Kecepatan Jet
โ
Diameter Nozzle
โ
Kecepatan Runner
โ
Diameter & Putaran Runner
โ
Desain Bucket
โ
Analisis Momentum
โ
Torsi
โ
Daya Turbin
โ
Efisiensi
Jadi, dalam merancang turbin impuls, kita tidak langsung menentukan bentuk turbin. Kita mulai dari menentukan energi yang tersedia, kemudian menentukan karakteristik aliran, merancang nozzle dan runner, kemudian merancang bucket berdasarkan perubahan momentum, hingga akhirnya diperoleh torsi, daya, dan efisiensi turbin.
Rumus utama yang digunakan dalam perancangan ini berasal dari beberapa konsep dasar, yaitu persamaan energi, kontinuitas, momentum, dan hubungan antara torsi dengan daya.
