Cara Mendesain Turbin Kaplan

Turbin kaplan merupakan salah satu jenis turbin yang umum digunakan pada pembangkit listrik tenaga air. Selain turbin Kaplan, ada turbin pelton, crossflow, francis dan turgo. Untuk mengetahui pra syarat untuk membuat turbin Kaplan, bisa dibaca dipostingan berikut ini Cara merancang turbin air.

A Bonneville Dam Kaplan turbine after 61 years of service

Sejarah tentang asal muasal turbin Kaplan bisa dibaca di Wikipedia melalui link ini  https://en.wikipedia.org/wiki/Kaplan_turbine. Bedanya adalah, pada perancangan kali ini, kami tidak menggunakan adjustable blade melainkan fix blade. 

Buku Referensi

Buku referensi yang digunakan dalam melakukan perancangan turbin Kaplan adalah mengacu kepada Buku yang berjudul "hydraulic Turbines, their design and equipment" yang ditulis oleh Miroslav Nechleba. Sebenarnya ada banyak buku yang bisa dijadikan rujukan, tinggal disesuaikan dengan pilihan masing masing. Alasan penulis menggunakan buku ini dikarenakan bahasa yang digunakan lebih mudah untuk dipahami. 

Penentuan Desain Rancangan

Desain rancangan seperti yang sudah dijelaskan pada postingan berjudul Cara merancang turbin air. Ada baiknya dibaca dulu ya gan. :)

Data yang dibutuhkan dalam perancangan turbin adalah data Head dan Debit. Apa itu Head dan Debit? Simak penjelasannya di postingan ini. Apa itu Head dan Debit pada turbin?

Selain head dan Debit, data lain yang perlu ditetapkan oleh perancang turbin adalah nilai putaran turbin yang akan dibuat. Putaran turbin memiliki keterkaitan dengan generator yang akan dipakai. Sebagai gambaran saja, putaran generator yang umum dipasaran adalah 1500 rpm.  Putaran turbin yang akan dibuat sudah seharusnya menyesuaikan dengan desain putaran generator yang ada. Apakah bisa menggunakan putaran yang lain? Boleh saja. hanya saja yang akan menjadi maslaah adalah generator yang ada di pasaran kebanyakan memiliki rpm 1500 rpm. Andaikan desainer turbin akan menetapkan putaran turbin lebih kecil dari 1500 rpm, misalnya 500 rpm, maka dengan demikian, diperlukan transmisi Belt & pulley ataupun gearbox untuk menyesuaikan dengan putaran generator. 

Thoma Cavitation Number dan Head Suction
Masalahnya adalah, kita sendiri tidak tau sebaiknya turbin yang akan dirancang pada putaran terbaik yang mana. maka Sebagai acuan, dalam perancangan turbin tipe kaplan dikenal istilah Thoma Cavitation Number. Sepanjang pengetahuan penulis, Bilangan ini menentukan apakah nantinya turbin yang akan dirancang akan mengalami Cavitasi atau tidak. Pengertian tentang Cavitasi dibahas pada postingan ini Apa itu Cavitasi? Apa jadinya turbin yang sudah dibuat, malah mengalami cavitasi akibat desainer salah desain. Mungkin umur turbinnya tidak bisa lama. Untuk itulah, kita perlu untuk menghitung kemungkinan Cavitasinya. Efek cavitasi pada turbin bergantung kepada Head Suction rancangan itu sendiri. Lalu, bagaimana menghitung Head Suction? Di buku Nechleba sudah disiapkan rumusnya seperti yang terlihat di bawah ini.

     ....1

dimana Hs merupakan singkatan dari head suction, Hb merupakan Head Barometric (tekanan barometric), simbol Thoma merupakan bilangan thoma dan H adalah Head turbin. Yang dimaksud dengan Head pada turbin Kaplan bisa dibaca disini. sedangkan nilai Hb bisa dicari menggunakan rumus sebagai berikut:

.......2

dimana h merupakan ketinggian turbin dari atas permukaan laut (MDPL).

Bilangan thoma bisa dicari dengan tabel sebagai berikut.

Nah, ns sendiri belum dibahas. untuk mencari bilangan thoma, kita harus mengetahui berapa sih putaran spesific turbin. Rumus mencari putaran spesific bisa dicari melalui rumus berikut.

.........3

Keterangan simbol.
n = putaran turbin (rpm), H = Debit (m), gamma = massa jenis air (kg/m3), Q = Debit air (m3/s), Efisiensi.  Dari data ini lah baru bisa ditentukan bilangan thomanya. agar lebih membumi ki/ta akan membahas contoh soal. Contoh ini sebenarnya sudah ada di buku Nechleba.

Contoh 1
Diketahui sebuah turbin yang direncanakan memiliki Head 5 m, putaran spesificnya 430 dan memiliki bilangan thoma 0.406. Turbin tersebut harus dipasang di ketinggian 900 m diatas permukaan laut. Maka tentukanlah tinggi hisapnya/Suction head.

jawab:

Jadi turbin bisa dipasang maksimal berada 6.97 m dari atas tail race. Pertanyaannya, bolehkah kita menempatkan turbin 2 m diatas tail race? 
Boleh boleh saja. Bila diperhatikan rumus diatas, rumus tersebut menunjukkan batasan sejauh mana turbin bisa ditempatkan dari atas tail race. Hal ini berkaitan dengan konstruksi komponen komponen turbin yang lain seperti draft tube dan shaft. Pertimbangan lain bisa dikarenakan faktor lokasi turbin. Semua bisa dihubungkan dengan kemudahan manufaktur, kemudahan pemasangan, keekonomisan turbin dan lainnya.

Contoh diatas hanyalah contoh sederhana. Pertanyaannya, bagaimana bila putaran spesific nya dan bilangan thoma tidak diketahui?? Jawabannya cuma satu. HITUNG!!! :)

Contoh 2
Andaikan kita disuruh merancang turbin kaplan dengan data data sebagai berikut:
Head    = 3 m
Debit  =  300 l/det
Ketinggian dari atas permukaan laut = 1700 MDPL. Tentukan tinggi suction head nya!

Tips!!!
Akan lebih mudah bila rumus rumus ini dimasukkan kedalam Excel. Data awal ini tertulis sebagai berikut:

Data ini merupakan data yang didapatkan pada saat survei. Dari data ini, bisa diketahui berapa sih daya yang tersedia pada air sebelum dikurangi rugi rugi pada instalasi. Daya yang tersedia ditampilkan sebagai berikut:

dari hasil perhitungan, diketahui daya yang tersedia sekitar 8.829 kW andaikan semua bisa dikonvversi menjadi listrik. Namun hal ini tidak mungkin karena adanya loses loses pada turbin. untuk menghitung daya tersedia dan loses loses apa saja yang terdapat pada turbin air, bisa dibaca DISINI.

Kemudian kita akan menghitung Spesific headnya. dengan mengikuti rumus rumus yang telah dituliskan diatas, kita bisa menampilkan hasil perhitungannya disini.

Dari hasil perhitungan diketahui bahwa, Nilai suction head turbin sebesar 2.861 m.


Pemilihan Diameter Turbin

Diameter turbin dipilih berdasarkan grafik yang ada di buku Nechleba seperti yang ditampilkan sebagai berikut.

 

Pada grafik diatas, ditampilkan beberapa warna garis. Sebagai contoh, diketahui Head 4 m, debit 4 m3/s dan putaran 400 rpm. Caranya adalah, tarik dulu garis melintang arah horisontal dan vertikal pada head 4 m(garis biru) . Lalu  tarik garis melintang untuk debit (garis merah), garis miring untuk putaran (garis hijau). Perpotongan garis biru dan hijau dibuat garis melintang vertikal (orange 1). perpotongan garis merah dan biru dibuat garis melintang arah horisontal (garis orange 2). Perpotongan antara 2 garis ini menunjukkan diameter turbin sesuai data head dan Debit. yang harus diingat adalah, data ini bisa saja berbeda tergantung jenis buku yang dipakai sebagai referensinya. 

Dari hasil perpotongan garis itu, kita bisa menetapkan diameter runner adalah sebesar 1 m.

Penentuan Jumlah Blade 

Penentuan jumlah blade, menurut Nechleba didasarkan pada Head, putaran spesifik dan Rasio diameter hub/shroud

 

 Nilai d/D bisa disesuaikan sesuai perancang. 

Apabila data ini sudah lengkap, bisa ditampilkan sebagai berikut:

Nah akhirnya kita sudah memiliki dimensi utama dari runner yang dirancang. Tinggal bagaimana merancang sudut bladenya agar mampu bekerja secara optimal. Cara cara mendesain sudut blade pada turbin ini akan dibahas pada posringan selanjutnya. 

Semoga postingan ini bisa bermanfaat, Terima Kasih.