MEKANIK

mekanikal komponen pada Microhidro

BUKU PANDUAN (VERSI 1)
APLIKASI DAN KARAKTERISTIK TURBIN






DAFTAR ISI
BUKU PANDUAN (VERSI 1) 1
APLIKASI DAN KARAKTERISTIK TURBIN 1
DAFTAR ISI 2
1 Tipe TURBIN 4
1.1. KINCIR AIR 4
1.2. turbin 8
1.2.1. Umum 8
1.2.2. Tipe Turbin 9
1.3. BATAS APLIKASI UNTUK TIPE TURBIN YANG BERBEDA 17
1.3.1. Turbin cross flow 18
1.3.2. Turbin Pelton 19
1.3.3. Turbin propeller open flume 20
1.3.4. Pompa yang digunakan sebagai turbin (PAT) 21
2 pemilihan turbin 23
2.1. PENGARUH DARI LAYOUT TURBIN TERHADAP PEMBANGKIT 23
2.2. DATA AWAL DALAM PEMILIHAN TURBIN 23
3 TATA LETAK TURBIN DI LOKASI MHP 27
3.1. UMUM 27
3.2. DASAR PENGATURAN TURBIN YANG DIHUBUNGKAN LANGSUNG 27
3.3. TURBIN YANG DIHUBUNGKAN SECARA TIDAK LANGSUNG 32
4 KESEIMBANGAN ENERGI UNTUK LOKASI MHP 38
4.1. PERSAMAAN BERNOULLI: KESEIMBANGAN ENERGI DAN ALIRAN ENERGI 38
4.2. PRESENTASI GRAFIS DARI KESEIMBANGAN ENERGI 41
4.3. ALIRAN ENERGI DAN EFISIENSI 41
5 PRINSIP KERJA TURBIN 49
5.1. DIAGRAM-DIAGRAM VEKTOR KECEPATAN 49
5.2. PERSAMAAN EULER UNTUK PERPINDAHAN ENERGI 50
6 KARAKTERISTIK TURBIN 52
6.1. UMUM 52
6.2. HUKUM GAYA GABUNG (AFINITAS) 53
Gbr. 39: Turbin yang beroperasi pada dua head yang berbeda 53
6.3. KONSEP DARI UNIT MESIN 55
6.3.1. Umum 55
6.3.2. NILAI-NILAI UNIT: 56
6.3.3. Kecepatan spesifik 58
6.3.4. Hill Charts 63
6.4. TURBIN CROSS FLOW 68
6.4.1. Definisi: Turbin Cross Flow: 68
6.4.2. NILAI-NILAI UNIT: 68
6.4.3. Hill chart 69
6.4.4. diagram kecepatan 69
6.5. TURBIN PELTON 74
6.5.1. Teori dasar turbin Pelton 74
6.5.2. Pengukuran 80
6.5.3. Karakteristik nozzle: 82
6.5.4. Contoh-contoh dan petunjuk disain 85
Gbr. A57: Petunjuk nozzle di dalam pipa 86
Gbr. A58: Nozzle tanpa petunjuk di dalam pipa 86






























1 TIPE TURBIN
1.1. KINCIR AIR
Kincir air banyak digunakan sejak ribuan tahun yang lalu. Seluruh penjuru dunia masih menggunakan kincir air untuk penggilingan atau menggerakkan generator kecil. Terdapat tiga tipe disain kincir air yang dikenal.
Dalam konstruksi mesin yang klasik, kincir air ditandai oleh poros horizontal. Pada dasarnya kita dapat membedakan kincir air menjadi 3 tipe.


Kincir air tipe undershot
Tipe ini adalah yang tertua. Vitruv membuat tipe kincir air ini pada abad pertama sebelum masehi. Kincir air ini dapat digunakan di sungai dengan aliran yang cepat. Efisiensinya sekitar 25%. Pada abad ke-19, tipe kincir ini menjadi lebih berkembang. Terutama yang didisain oleh Poncelet yang mencapai efisiensi sebesar 70%.

Kincir air tipe overshot
Kincir air tipe overshot sudah digunakan sejak abad ke-14. Jika kincir ini dibuat dengan baik dan ketinggian reservoir air bagian atas memperbolehkan diameter kincir yang besar, efisiensinya mencapai 75% atau bahkan kadang-kadang mencapai 80%.

Kincir ini adalah tipe kincir yang paling terbaru, yang dikembangkan pada abad ke-16. Kincir ini adalah gabungan antara dua buah konstruksi dasar. Versi terdahulunya dapat mencapai efisiensi sebesar 45%, tipe-tipe modern dapat mencapai efisiensi sebesar 75%.
Gbr. 1: Tipe-tipe kincir air


Gbr. 2: Kincir air tipe overshot




Gbr. 3: Kincir air tipe undershot tradisional untuk irigasi di Sumatera





Gbr. 4: Kincir air tradisional untuk produksi listrik di Sumatera



Gbr. 5: Kincir air tipe overshot yang telah direnovasi dengan efisiensi tinggi




Gbr. 6: Contoh penggilingan tradisional di Tibet



1.2. TURBIN
1.2.1. Umum

Untuk memanfaatkan potensi sungai dari sumbernya sampai ke ujungnya memerlukan tipe turbin yang berbeda untuk setiap level sungai karena head dan debitnya yang berubah-ubah.



Gbr. 7: MHP sepanjang sungai (Potongan sungai Rhein, Jerman)

Pertanyaan-pertanyaan muncul ketika melihat interkoneksi antara turbin dan MHP yang dengan jelas menunjukkan kebutuhan spesifikasi turbin yang benar. Rincian berikut ini harus diketahui untuk penentuan layout pembangkit.
• tipe turbin yang tersedia
• peralatan untuk pemilihan tipe turbin yang sesuai
• efisiensi turbin pada saat debit puncak dan debit sebagian
• dimensi runner dan turbin
• kecepatan turbin
• kinerja turbin pada saat kondisi beban sebagian, beban berlebih dan runaway




1.2.2. Tipe Turbin
Terdapat disain turbin yang berbeda-beda yang tersedia di pasaran. Untuk instalasi MHP biasanya digunakan lima disain dasar yang berbeda.
Turbin Impuls:
(Hanya energi kinetik, yang berarti impuls dari pancaran air, dikonversikan di runner)
Turbin Pelton
Turbin Turgo
Turbin Cross flow

Gbr. 8: Turbin Impuls
Turbin Reaksi
(energi kinetik dan tekanan dikonversi di runner)
Turbin Francis (rumah spiral, saluran terbuka/open flume)
Turbin Deriaz (turbin diagonal - jarang digunakan)
Turbin Kaplan (turbin tubular, turbin tipe S, open flume, rumah spiral)



Gbr. 9: Turbin Reaksi




Terdapat banyak alasan teknis untuk variasi disain yang seperti ini:
• material yang tersedia (kekuatan untuk menahan tekanan, erosi akibat kavitasi, aus)
• kavitasi (diperlukan ketinggian pembangkit dari permukaan laut/altitude)
• dimensi dan kecepatan turbin (kincir air yang efisien dengan diameter 8 m dapat digantikan dengan turbin cross flow dengan diameter 0.5 m)
• kapasitas pabrikasi


Gbr. 10: Contoh turbin Cross flow



Gbr. 11: Contoh turbin Pelton



Gbr. 1 : Contoh turbin Impuls Turbo







Gbr. 2 : Contoh turbin Francis rumah spiral






Gbr. 3 : Contoh Francis open flume



Gbr. 4 : Contoh turbin Kaplan open flume





Gbr. 5 : Contoh turbin Kaplan spiral housing












Gbr. 6 : Contoh turbin Propeller tubular
1.3. BATAS APLIKASI UNTUK TIPE TURBIN YANG BERBEDA
Setiap turbin memiliki aplikasi dengan batas spesifiknya masing-masing. Adalah mungkin, bahwa tipe turbin yang berbeda tersebut layak untuk sebuah pembangkit. Penawaran dari pabrikan yang berbeda harus dibandingkan dahulu. Dalam banyak kasus, pertimbangan ekonomi cukup menentukan dalam pemilihan turbin. Penentuannya tidak selalu jelas dan mudah dan memerlukan pengetahuan mengenai karakteristik spesifik turbin.
Terdapat sumber-sumber diagram dan rekomendasi aplikasi yang berbeda untuk memilih tipe turbin yang sesuai. Pabrikan turbin besar dan kecil menyajikan program pabrikasi turbin mereka pada diagram pemilihan. Lebih banyak tentang diagram pemilihan spesifik turbin akan diberikan di bab “Kecepatan Spesifik”.



Gbr. 7 : Aplikasi untuk batasan umum dari tipe-tipe turbin air yang berbeda
(Sumber: MHPG Publication Volume 11)

CONTOH :
Tinggi jatuh air/Head perkiraan awal (Hr) = 40 m
Debit perkiraan awal (Qr) = 250 l/dtk
Dimungkinkan untuk menggunakan turbin cross flow komersial dan lokal, juga turbin Pelton (Turgo) atau turbin Francis.

Untuk aplikasi dengan output kurang dari 100 kW terdapat empat macam turbin berbiaya rendah yang biasanya digunakan dan diproduksi di Indonesia:

1.3.1. Turbin cross flow
Turbin ini mudah untuk dipabrikasi dan ditawarkan oleh banyak pabrikan (misalnya Ossberger dan Volk di Jerman). SKAT dan BYS (Nepal) mengembangkan disain berbiaya rendah dan mempublikasikannya (MHPG Publication Volume 3 dan 4) sekitar tahun 1980. Beberapa turbin telah dibuat di Nepal dan di Indonesia. Pada tahun 1990 disain turbin yang disempurnakan dan lebih efisien yaitu Model T14/T15 dikembangkan dan sekarang digunakan.


Gbr. 8 : Batas aplikasi Turbin Cross Flow T15 dengan diameter 300 (sumber: ENTEC)




CONTOH:
Head perkiraan awal (Hr) = 31 m
Debit perkiraan awal (Qr) = 497 l/dtk
Output P = 105 kW
Kecepatan putaran (n) = 750 1/min
Turbin ini dapat dihubungkan secara langsung ke generator sinkron dengan 8 kutub (n = 750 1/min)


1.3.2. Turbin Pelton
Permasalahan dalam produksi turbin Pelton adalah bentuk runner yang kompleks. Rumah turbin dan nozzlenya mudah untuk dipabrikasi.
Buku Panduan SKAT/MHPG Vol. 9 menjelaskan disain turbin Pelton kecil yang menggunakan bucket standard hasil pabrikasi. Gbr. 20 menunjukkan batasan aplikasi untuk turbin Pelton mikro tersebut hingga 50 kW.




Gbr. 9 : Batasan aplikasi dari turbin Pelton mikro (Sumber: Buku panduan SKAT/MHPG Vol. 9)



CONTOH:
Hr = 96 m
Qr = 20 l/s
Output pada efisiensi 60% P = 10 kW




1.3.3. Turbin propeller open flume
Pengembangan turbin terbaru untuk head rendah di Indonesia telah dimungkinkan untuk memproduksi turbin propeller open flume untuk head rendah (di bawah 6 - 7 m)



Gbr. 10 : Turbin propeller open flume di Indonesia tahun 2006


Head (m) D= 125 mm D= 200 mm D= 300 mm D= 430 mm
2 m 26 l/s
290 W 67 l/s
700 W 150 l/s 1680 W 300 l/s 3400 W
3 m 36 l/s
600 W 92 l/s 1500 W 207 l/s 3450 W 425 l/s 7150 W
4 m 45 l/s
1000 W 117 l/s 2600 W 260 l/s 5850 W 535 l/s 12000 W
5 m 140 l/s 3850 W 310 l/s 8700 W 640 l/s 17500 W
6 m 160 l/s 5400 W 360 l/s 1200 W 740 l/s 24500 W

Gbr. 11 : Batasan aplikasi turbin propeller open flume di Indonesia tahun 2006

1.3.4. Pompa yang digunakan sebagai turbin (PAT)
Pompa dapat dioperasikan seperti turbin dengan efisiensi yang bagus jika tidak diperlukan adanya peraturan mengenai debit. Buku Panduan MHPG Volume 11 menjelaskan teknologi ini dan pemilihan pompa yang sesuai. Gambar di bawah ini menampilkan batasan aplikasi dari tipe pompa berbeda yang digunakan sebagai turbin.
Kekurangan dari solusi berbiaya rendah ini adalah bahwa debit tidak dapat diatur dan tidak mungkin beroperasi dengan beban sebagian misalnya pada saat musim kemarau (Lihat MHPG series Vol. 11 Pumps as turbines).


Gbr. 12 : Batasan umum dari aplikasi pompa yang digunakan sebagai turbin sumber MHPG Publication Volume 11)





CONTOH:
Hr = 40 m
Qr = 50 l/s


Pompa dengan aliran radial tahap tunggal dapat dijadikan solusi. Metode pemilihannya berdasarkan pada spesifikasi pompa dari supplier seperti diuraikan dalam Manual MHP “PAT: Pumps as Turbines (Pompa sebagai Turbin)” pada dasarnya faktor head dan debit menentukan dalam pemilihan pompa yang sesuai dari katalog pabrikan.




2 PEMILIHAN TURBIN
2.1. PENGARUH DARI LAYOUT TURBIN TERHADAP PEMBANGKIT
Gbr. 24 menjelaskan parameter-parameter utama MHP yang dipengaruhi oleh layout turbin.





Gbr. 13 : Pengaruh layout turbin terhadap pembangkit MHP

2.2. DATA AWAL DALAM PEMILIHAN TURBIN
Data-data penting yang diperlukan untuk penentuan tipe turbin adalah:

Rated (or nominal/ net) head Hn = 70 m
Rated (or nominal/ design) flow Qn = 0.120 m³/s

Sebagai tambahan, mungkin disebutkan, kecepatan operasional turbin
Rated (or nominal) speed nn = 1500 1/min

Hal-hal di atas merupakan informasi dasar untuk membicarakannya dengan pabrikan, jika dia akan menawarkan turbin saja untuk pembangkit ini. Bagaimanapun juga, informasi lainnya diperlukan jika penawaran yang lengkap harus dikirimkan. Pabrikan juga perlu menyediakan informasi yang terperinci misalnya seperti daftar berikut ini:
• tinggi permukaan saluran pembawa min/max/normal
• tinggi permukaan saluran pembuang min/max/normal
• tinggi permukaan rumah pembangkit
• kualitas air, polusi, pengendapan
• ketinggian permukaan pembangkit (untuk mencegah kavitasi di turbin-turbin Francis dan propeller/Kaplan)
• sambungan jaringan; operasional mesin (tipe generator, transmisi mekanis)
• metoda yang dibutuhkan. Apakah perlu untuk mengoperasikan turbin dengan debit yang berubah-ubah
• panjang, diameter dan material penstock
• permukaan bak penenang
• kurva aliran air
• sketsa instalasi

Kebanyakan pabrikan menyediakan kuisioner, yang kurang lebih terperinci. Berikut ini contoh kuisioner, yang harus diisi secara lengkap, walaupun beberapa informasi hanya diperlukan jika, misalnya governor, ada dalam penawaran


Gbr. 14 : Form untuk permintaan turbin




3 TATA LETAK TURBIN DI LOKASI MHP
3.1. UMUM
Tata letak turbin secara umum di dalam rumah pembangkit tergantung pada peralatan yang berhubungan dan tinggi permukaan yang dibutuhkan dari poros turbin di atas (atau di bawah) tinggi permukaan saluran pembuang.
• Turbin impuls memerlukan ventilasi di runner dan harus dipasang di atas permukaan air tail. (Selama banjir tinggi permukaan air tail tidak boleh menjangkau poros turbin untuk menghindari banjir didalam rumah pembangkit akibat kebocoran di shaft turbin).
• Turbin reaksi memerlukan tinggi permukaan tertentu di atas atau di bawah permukaan air tail yang tergantung pada disain dan tinggi permukaan instalasi untuk mencegah kavitasi runner.


3.2. DASAR PENGATURAN TURBIN YANG DIHUBUNGKAN LANGSUNG
Pada masa lalu dan di beberapa daerah pedesaan mesin-mesin tersambung langsung dengan turbin tanpa pembangkit listrik. Pada umumnya penggilingan atau pompa air tetap tersambung secara langsung. Cara ini murah dan efisien. Kerugiannya adalah tempat pengolahannya harus dekat dengan turbin.



Gbr. 15 : Mesin yang terhubung langsung dengan turbin

Generator tersedia dengan ng = 3000 rpm/(jumlah pasang kutub), yang berarti untuk generator sinkron 3000 rpm, 1500 rpm, 750 rpm, dll (generator asinkron sedikit lebih cepat akibat slip). Bagaimanapun generator berkecepatan rendah bobotnya berat dan sering didisain secara khusus.

Jika turbin didisain agar beroperasi pada kecepatan generator maka dapat dengan mudah dihubungkan secara langsung ke generator menggunakan kopling. Kadang-kadang runner didisain terutama agar turbin dapat dihubungkan langsung ke shaft generator. Terutama pembangkit-pembangkit dari aliran sungai sering didisain untuk dihubungkan langsung ke generator berkecepatan rendah untuk mencegah biaya generator yang sangat mahal.



Gbr. 16 : Runner turbin dan generator pada satu shaft

Normalnya generator dihubungkan menggunakan kopling fleksibel.

A: Generator dihubungkan langsung menggunakan kopling fleksibel (load controller, sebaiknya flywheel kecil dipasang pada shaft jika motor mulai dengan kapasitas lebih dari 20%)

B: Generator atau turbin dengan flywheel yang dihubungkan dengan kopling fleksibel (kadang-kadang belt drive untuk pengontrol kecepatan/debit)

C: Generator, kopling, flywheel besar bertumpu pada plummer block bearings, kopling ke turbin (kadang-kadang belt drive untuk pengontrol kecepatan/debit)



Gbr. 17 : Generator dihubungkan langsung



Gbr. 18 : Contoh Dewata: Generator yang dihubungkan langsung dengan flywheel pada shaft generator. Kontrol debit elektronik dengan sensor kecepatan dan posisi.





Gbr. 19 : Contoh Tengpoche: Generator yang dihubungkan langsung dengan flywheel pada shaft turbin dan kontrol mekanis yang dihubungkan dengan gearbox.
3.3. TURBIN YANG DIHUBUNGKAN SECARA TIDAK LANGSUNG
Pada disain turbin jika tidak memungkinkan untuk mendapatkan generator untuk dihubungkan langsung maka diperlukan gear box atau belt drive. Parameter utamanya untuk pengukuran adalah rasio transmisi.

I=nturbin / ngenerator


Pada daya yang akan ditransmisikan, dimensi dan gaya dari belt dan layout gearbox diberikan oleh pabrikan atau supplier transmisi. Proyek-proyek elektrifikasi di desa hingga 50 kW hampir selalu dapat menggunakan belt. V-belt lebih mudah untuk proses alignment tetapi memiliki efisiensi yang lebih rendah dan lifetime yang lebih pendek daripada flat belts. Jika daya di atas 20-30 kW maka dianjurkan untuk menggunakan flat belts karena kinerjanya yang lebih baik dan juga karena beberapa V-belts harus digunakan dan diganti dalam satu perangkat. Gearbox hanya dianjurkan jika rasio transmisi atau daya (lebih dari 100 - 200 kW) tidak memungkinkan untuk belt drive. Gearboxes untuk daya tinggi dan transmisi dengan rasio tinggi memerlukan pendinginan ekstra dengan air blower atau dengan heat exchanger.

Gbr. 20 : Generator yang dihubungkan tidak langsung menggunakan flat belt drive pada turbin dan generator



Gbr. 21 : Generator yang dihubungkan tidak langsung menggunakan flat belt drive langsung ke turbin dan bearing tambahan dan kopling fleksibel pada shaft generator


Gbr 22 : Generator yang dihubungkan tidak langsung menggunakan flat belt drive langsung ke turbin dan flywheel dengan Plummer block bearing dan kopling pada generator base



Gbr. 23 : Generator yang dihubungkan tidak langsung menggunakan flat belt drive pada turbin dan generator



Gbr. 24 : Generator yang dihubungkan secara tidak langsung menggunakan flat belt drive ke turbin dan flywheel dengan Plummer block bearing dan kopling pada rangka generator

Gbr. 25 : Generator dan turbin yang dihubungkan secara tidak langsung menggunakan flat belt drive dengan Plummer block bearing dan kopling


Gbr. 26 : Generator dan turbin yang dihubungkan tidak langsung menggunakan flat belt drive dan flywheel dengan Plummer block bearing dan kopling
Gearbox:
Untuk output yang lebih besar digunakan gear box.





Gbr. 27 : Generator yang dihubungkan tidak langsung menggunakan gear box



Gbr. 28 : Generator yang tidak langsung dihubungkan dengan gear box
4 KESEIMBANGAN ENERGI UNTUK LOKASI MHP
4.1. PERSAMAAN BERNOULLI: KESEIMBANGAN ENERGI DAN ALIRAN ENERGI
Rumus dasar untuk sistem hidrolis (penstock, mesin hidrolis, dll.) dengan aliran mantap adalah persamaan Bernoulli. Ini menampilkan keseimbangan energi dari partikel fluida kecil yang mengalir melalui sistem:


Gbr. 29 : Keseimbangan energi dalam pembangkit MHP

(1)
(Indeks dalam arah aliran)

dimana P = tekanan dalam N/m2
v = kecepatan dalam m/dtk
z = ketinggian dalam m
 = koefisien losses yang terkait dengan v
g = gaya gravitasi = 9.81 m/dtk2
ρ = berat jenis dalam kg/m3


rumus-rumus energi mekanis / hidrolis yang digunakan adalah sebagai berikut:

energi tekanan
energi kinetic
energi potensial

energi hidrolis spesifik dari mesin yang ideal
losses akibat gesekan di dalam sistem


energi internal:

Apalagi untuk bentuk energi seperti itu, kita juga perlu mempertimbangkan energi internal akibat temperatur fluida untuk menghasilkan keseimbangan energi total. Losses akibat gesekan meningkatkan energi internal, karena temperatur airnya meningkat secara perlahan. Pertimbangan seperti ini terlalu akademis dan tidak relevan untuk tujuan kita.


4.2. PRESENTASI GRAFIS DARI KESEIMBANGAN ENERGI
Ini merupakan kebiasaan yang umum untuk menggambarkan keseimbangan energi dalam gambar (dengan skala) yang menunjukkan layout utama.


Gbr. 30 : Garis energi dasar: Garis energi jika turbin terintegrasi (dengan gesekan)


4.3. ALIRAN ENERGI DAN EFISIENSI
Pada kenyataannya tidak semua energi hidrolis yang dikonversi di dalam turbin menjadi energi yang bermanfaat untuk konsumen. Di dalam konversi energi ini berbagai losses terjadi dan tingkat perubahan energinya dinamakan dengan efisiensi. Efisiensi total untuk pembangkit daya adalah jumlah semua efisiensi dari setiap komponennya.

Gbr. 28b: Aliran energi dalam MHP

Kelompok pertama dari losses adalah losses akibat gesekan di dalam sistem hidrolis (lihat rumus (1)). Mereka tergantung pada layout dan kondisi aktual pembangkit. Perhitungan losses akibat gesekan merupakan hal yang umum dengan anggapan kita telah mengetahuinya.

Kelompok kedua adalah efisiensi-efisiensi dari mesin konversi energi.


1 : efisiensi internal
2 : efisiensi turbin / pompa
3 : efisiensi kelompok total



Gbr. 31 : Aliran energi dan efisiensi di dalam turbin
Efisiensi turbin internal
Efisiensi turbin mekanis
dimana:
Phyd = energi hidrolis teoritis di turbin (biasanya ditentukan di laboratorium sebagai hill chart)
PRU = pada runner turbin energi tersedia
Pt = pada shaft turbin energi tersedia
mt = losses akibat gesekan dalam segel turbin, bearings

efisiensi transmisi daya mekanis:
m = losses akibat gesekan dalam segel turbin, bearings
efisiensi elektrik:
g = efisiensi generator total (mekanis dan elektrik)

efisiensi unit pembangkit total:
(2)

Untuk penaksiran efisiensi turbin yang berbeda-beda pada beban puncak dan beban sebagian ditunjukkan di gbr. 43.


Contoh:
Lokasi MHP harus memiliki data sebagai berikut:
head dasar (head bersih) Hr = 100 m
debit dasar Qr = 20 l/dtk

Pabrikan turbin, flat belt drive dan generator memberikan spesifikasi-spesifikasi sebagai berikut:
efisiensi turbin internal (dikenal dari uji model) it = 0.83
efisiensi turbin mekanis (losses di segel turbin, bearing) mt = 0.97
efisiensi transmisi daya mekanis: (Flat belt drive) m = 0.97
efisiensi generator g = 0.85
Hitung:
t = efisiensi turbin mekanis




total = efisiensi unit pembangkit total (mekanis dan elektrik)




Phyd = energi hidrolis teoritis di turbin




PRU = energi yang tersedia di turbin





Ptotal = energi unit pembangkit total




Menggambar diagram aliran energi (skala 10 cm = 100% dari energi hidrolis) yang tersedia di turbin.



Gbr. 32 : Presentasi grafis aliran energi dasar dan efisiensinya
Contoh:
Melihat keseluruhan pembangkit MHP, sistem efisiensi harus memperhitungkan semua losses. Contoh berikut ini menunjukkan sistem efisiensi pada saat debit disain penuh.



Gbr. 33 : Losses di dalam MHP

Menghitung sistem efisiensi dan menggambar diagram aliran energi (skala 10 cm = 100% dari energi hidrolis yang tersedia)


Gbr. 34 : Aliran energi dasar
5 PRINSIP KERJA TURBIN
5.1. DIAGRAM-DIAGRAM VEKTOR KECEPATAN
Pola aliran aktual yang melalui runner turbin sangat rumit. Ini membutuhkan asumsi-asumsi penyederhanaan untuk menguraikan aliran dengan menggunakan diagram vektor kecepatan. Meskipun demikian, diagram-diagram ini tetap menghasilkan perkiraan aliran aktual yang layak. Ketika mempertimbangkan aliran yang melalui lintasan antara blades dari runner turbin yang berputar, perbedaan harus dibuat antara aliran absolut dan aliran relatif. Aliran absolut dilihat dari rumah turbin sedangkan aliran relatif dilihat dari runner yang berputar.
sistem relatif (1)
aliran yang melewati pengamat yang berputar pada kecepatan w

sistem absolut (2)
runner turbin mendekati pengamat pada kecepatan u
aliran mendekati pengamat yang diam pada kecepatan
c = w + u





Gbr. 35: Aliran absolut dan aliran relatif

5.2. PERSAMAAN EULER UNTUK PERPINDAHAN ENERGI
Mr. Euler menemukannya pada tahun xx sehingga dinamakan dengan “Persamaan Euler”. Ini berdasarkan pada kekekalan momentum pada runner yang berputar di turbin atau pompa.
Sebagai contoh untuk turbin Francis kita mendapatkan diagram debit dan kecepatan sebagai berikut:





Gbr. 36: Gambar potongan dari turbin Francis













Gbr. 37: Diagram-diagram vektor kecepatan untuk turbin Francis

Konsep kekekalan momentum diterapkan pada semua tenaga putaran yang bekerja dalam runner turbin. Gbr. 48 di atas menunjukkan bahwa hanya komponen-komponen tangensial dari kecepatan inlet dan kecepatan outlet (cu2 dan cu1) yang berperan terhadap tingkat perubahan momentum yang mendasari tenaga putaran (T) yang bekerja di dalam shaft turbin. Semua gaya-gaya dan momentum lain (Tekanan, kecepatan komponen radial) berputar di dalam runner dan tidak menghasilkan tenaga putaran. Kita dapat menuliskan:

Tenaga putaran (3)

Persamaan ini dapat kita konversi ke dalam rumus umumnya:
Head Euler (4)
Dalam teori HE*g menunjukkan masa energi yang ditransfer dari fluida ke runner turbin; atau dengan kata lain energi yang dibangkitkan oleh turbin terjadi ketika semua losses diabaikan. Efisiensi hidrolis diperkenalkan pada mesin-mesin riil untuk memperhatikan losses yang tak dapat dihindarkan oleh mesin:

Efisiensi hidrolis untuk turbin (5)
6 KARAKTERISTIK TURBIN
6.1. UMUM
Spesifikasi disain berikut ini harus diketahui untuk mendapatkan ukuran turbin yang akurat untuk instalasi:

• efisiensi turbin pada debit puncak dan debit sebagian
• kecepatan turbin
• kinerja turbin pada kondisi beban sebagian, overload dan runaway
• ukuran dimensi runner dan turbin

Spesifikasi-spesifikasi ini dikembangkan dari pengukuran di laboratorium dengan cara model turbin disambungkan ke brake dan throttled stepwise mulai dari kecepatan run-away sampai berhenti. Headnya tetap konstan. Semua parameter (debit, tenaga putaran dan daya) diukur untuk setiap titik dan dihitung efisiensinya. Prosedur yang sama diulangi untuk bukaan guide vane yang berbeda untuk mendapatkan karakteristik turbin yang lengkap.


Gbr. 38: Mengukur karakteristik-karakteristik turbin dengan menghentikan turbin dari kecepatan run-away sampai berhenti (posisi guide vane konstan)

Dalam istilah praktis, kecepatan variabel seperti pada grafik di atas hanya akan terjadi pada pembangkit yang berdiri sendiri (tidak tersambung dengan jaringan) tanpa governor, atau turbin pada saat kondisi start-up, shut-down dan run-away (pemutusan hubungan mendadak dari beban). Bagaimanapun, untuk pemilihan turbin yang akurat dan prediksi kinerjanya, penting untuk mengetahui debit dan efisiensi selain daripada kecepatan nominal karena kondisi pembangkit aktual akan sangat sulit bersesuaian sepenuhnya dengan data disain mesin (= nilai dasar).

6.2. HUKUM GAYA GABUNG (AFINITAS)
Turbin digunakan selain dari head nominal:
Nilai-nilai dasar (Q1, H1, P1, n1) dari turbin telah dikenal. Dengan kondisi tersebut maka turbin akan beroperasi dengan efisiensi terbaik. Jika turbin yang sama dioperasikan dengan head yang berbeda (H2), debit dan kecepatannya tidak akan sama lagi untuk mencapai efisiensi terbaik. Hukum gaya gabung (afinitas) digunakan untuk menghitung debit, kecepatan dan output turbin yang baru:



Gbr. 39: Turbin yang beroperasi pada dua head yang berbeda

kecepatan baru (6)

debit baru (7)

tenaga putaran baru (8)

output baru (9)


Contoh:
Turbin T-12 yang dikirimkan untuk kondisi-kondisi lokasi sebagai berikut:
head dasar H1 = 31 m
debit dasar Q1 = 497 l/dtk
kecepatan dasar n1 = 742 rpm
output dasar P1 = 105.8 kW

Turbin dihubungkan ke generator sinkron (ng = 1500 rpm) dengan transmisi flat belt.
kecepatan generator ng = 1500 rpm
rasio perpindahan gigi i = 1500 rpm / 742 rpm = 2.02

Sayang sekali, surveynya tidak akurat dan headnya hanya H2 = 28 m. Apa yang harus dilakukan untuk mencapai efisiensi terbaik dengan head yang baru ini?

Solusi terbaik adalah dengan perubahan rasio perpindahan gigi untuk transmisi flat belt dan membiarkan turbin bekerja dengan kecepatan yang berbeda.

Menghitung rasio perpindahan gigi yang baru, debit yang baru diserap oleh turbin dan output turbin yang baru untuk head yang baru yaitu 28 m.

kecepatan baru


debit baru


output baru

rasio perpindahan gigi baru


Jika transmisi tidak diadaptasikan terhadap head yang baru, efisiensi dan outputnya akan lebih rendah dari yang dihitung.


6.3. KONSEP DARI UNIT MESIN
6.3.1. Umum
Dalam literatur dan pekerjaan riset praktis digunakan sejumlah definisi dan nilai spesifik. Hal ini bisa membingungkan. Ini harus dilihat dari proses historis dan dengan pendekatan ilmiah untuk melihat hal-hal yang berbeda secara individu:

• Literatur terdahulu sering menggunakan nilai-nilai dimensional. Kerugiannya adalah, misalnya sistem SI dan sistem imperial mengakibatkan nilai-nilai yang jauh berbeda untuk hal yang sama. Keuntungannya adalah, bahwa ini dapat dipahami oleh siapapun.
• Nilai-nilai non dimensional lebih abstrak tetapi bebas untuk digunakan sistem unit.
• Setiap tipe turbin memiliki sedikit perbedaan dalam disainnya. Dan juga pada aplikasinya misalnya pompa dan turbin menghasilkan perbedaan dalam definisi parameter.

Turbin-turbin komersil sering diuji di dalam laboratorium hidrolis dengan bentuk geometris yang serupa tetapi dengan model turbin yang lebih kecil. Nilai-nilai (Qm, Pm, Hm, nm) dari model turbin (indeks m) dengan dimensi runner tertentu (Dm dan Bm) diukur di dalam laboratorium. Bagaimanapun, model turbin ini tidak digunakan untuk instalasinya. Untuk skema MHP spesifik, semua dimensi model turbin perlu untuk diperbesar atau dinaikkan dengan menggunakan faktor skala (Dm/Dt = rasio dari diameter runner). Turbin baru ini (indeks t) harus dioperasikan dengan head (Ht) untuk mencapai efisiensi terbaik. Untuk penyederhanaan perhitungan, karakteristik dari mesin hidrolis tidak digunakan untuk model turbin tetapi untuk mesin “unit” teoritis. Mesin unit digambarkan seperti mesin dengan diameter (D11) = 1 m dan head (H11) = 1 m. Untuk bentuk mesin unit, disain turbin dapat dibandingkan dengan tipe dan disain turbin lainnya.





Gbr. 40: Model turbin dan mesin unit memiliki ukuran dan nilai dasar yang berbeda tetapi memiliki dimensi geometris dan karakteristik yang mirip.

6.3.2. NILAI-NILAI UNIT:
Karakteristik model turbin diukur dan dikonversi ke dalam MESIN UNIT yang serupa secara geometris dengan menggunakan hukum afinitas. Mesin unit teoritis ini memiliki diameter D11 = 1 m, dan beroperasi pada head H11 = 1 m.
Konsep dari mesin unit telah digunakan pada peluncuran turbin cross flow T12 sebelumnya.

KECEPATAN UNIT (10)

DEBIT UNIT (11)

TENAGA PUTARAN UNIT (12)

DAYA UNIT (13)

dimana index* = nilai numerik tanpa dimensi (valid untuk satuan SI!); nilai-nilai numerik tanpa dimensi berasal dari divisi untuk nilai-nilai dasar model turbin dengan nilai-nilai yang bersesuaian dengan mesin unit, yang semuanya merupakan satu kesatuan (diameter runner, lebar runner dan head = 1 m).


Contoh:
Tes model turbin propeller:
Model turbin propeller diuji di dalam hidrolab dan tahap berikutnya diukur pada titik terbaik operasi.

diameter propeller Dm = 320 mm
head Hm = 7 m
Debit Qm = l/dtk
Efisiensi terbaik eta1 = 89%





Menghitung daya shaft turbin:


Daya shaft Pm = 20.8 kW

Menghitung nilai-nilai unit:



Kecepatan unit n11 = 131 1/min



Debit unit q11 = 1.12 m^3/s




Aplikasi
Turbin harus dihubungkan langsung ke generator pada head (Ht) = 13.2 m. Berapakah diameter, debit dan output turbin?

Diameter turbin optimal


Debit turbin optimal


Daya shaft turbin optimal



Di bawah ini sistem yang umumnya digunakan untuk turbin Cross Flow dan turbin Pelton.

6.3.3. Kecepatan spesifik
Ini umum untuk menentukan nilai spesifik dengan menjelaskan kinerja runner pada titik terbaik operasi. Banyak lagi definisi dimensional dan non dimensional yang digunakan. Pengetahuan kecepatan turbin yang sesuai diperlukan untuk disain kasar untuk unit pembangkit MHP. Pengaturan transmisi yang diperlukan (dihubungkan langsung, belt atau gear box) dan generator diperlukan untuk penaksiran harga dan layout rumah pembangkit.
Kecepatan turbin di pembangkit tertentu tergantung pada penggunaan disain turbin. Dengan batasan tertentu turbin dapat didisain dengan cara seperti itu maka generator atau mesin lainnya boleh dihubungkan langsung atau paling tidak rasio transmisinya diperkecil. Ini dapat meningkatkan efisiensi dan mengurangi biaya transmisi (belts atau gearbox). Untuk menaksir kecepatan digunakan kecepatan spesifik turbin. Kecepatan spesifik menandai bentuk hidrolis runner turbin dan bukan ukurannya.
Definisi yang sangat luas dan yang biasanya digunakan adalah kecepatan spesifik (nq). Kecepatan spesifik ini (nq) hanya merupakan kecepatan dari turbin imajiner, dengan ukuran seperti itu, yaitu pada head 1 m terjadi debit 1 m3/dtk (pada titik efisiensi terbaik). Kecepatan ini dihitung dari head dasar, debit lokasi dan kecepatan yang diinginkan turbin:
(14)
dimana
Qr* = nilai untuk Qr dalam m3/dtk
Hr* = nilai untuk Hr dalam m
nr = kecepatan turbin dalam rpm

Gbr. 52 menggambarkan dampak kecepatan spesifik dimensi runner Francis untuk lokasi tertentu. Itu jelas, bahwa turbin dengan kecepatan spesifik tinggi bentuknya lebih kecil (dan lebih efisien) daripada turbin dengan kecepatan spesifik rendah. Sayangnya aplikasi turbin dengan kecepatan spesifik tinggi yang mungkin secara teknis terbatas akibat dari tegangan material dan kavitasi yang berlebihan. Batasan ini diberikan pada gbr. 54.






Gbr. 41 : Dampak dari kecepatan spesifik pada dimensi runner Francis untuk lokasi tertentu (sumber Voith)


Gbr. 42 : Turbin Pelton dengan kecepatan spesifik yang berbeda



Gbr. 43 : Batasan aplikasi dari tipe turbin yang berbeda versus kecepatan spesifik (head maksimum). Sumber: Voith, Ossberger

Jika head dan debit untuk lokasi diketahui, kecepatan turbin yang diinginkan dapat ditaksir dan kecepatan spesifiknya dapat dihitung.

CONTOH: head dasar Hr = 50 m
debit dasar Qr = 100 l/dtk
a.) kecepatan turbin yang diinginkan nr1 = 1500 1/min
nq = 25 1/min (dihitung)
 turbin dipilih dari gbr. 55 Turbin Cross Flow atau Francis




b.) kecepatan turbin yang diinginkan nr1 = 750 1/min
nq = 12.6 1/min (dihitung)
 turbin dipilih dari gbr. 55 Turbin Pelton (multi jet)

Berdasarkan pada metode ini nomogram pada gbr. 56 telah dikembangkan untuk penggunaan praktis. Ini memberikan penaksiran yang cepat untuk tipe dan kecepatan turbin.





Gbr. 44 : Contoh untuk penaksiran yang cepat untuk tipe dan kecepatan turbin yang sesuai, dalam fungsi head dan debit.




Gbr. 45: Nomogram untuk penaksiran yang cepat dari tipe dan kecepatan turbin yang sesuai dalam fungsi head dan debit (sumber MHPG manual Volume 10)
6.3.4. Hill Charts
Ini memungkinkan untuk menggabungkan efisiensi dan debit versus kurva kecepatan dalam satu grafik. Yaitu hill chart turbin. Ini menunjukkan karakteristik kecepatan debit dan kurva untuk efisiensi yang sama dari mesin unit.
Hill chart berlaku untuk semua turbin yang sama secara geometris. Ini berarti bahwa turbin yang diukur adalah didisain sama persis tetapi dengan skala yang berbeda. Skalanya merupakan rasio antara diameter runner. Karakteristik turbin yang menyeluruh ditampilkan dalam hill chart, yaitu menggambarkan kinerja turbin secara lengkap.


Gbr. 46: Contoh Hill chart untuk turbin propeller


1. Untuk penggunaan praktis hill chart memberikan semua informasi yang diperlukan pengukuran turbin untuk operasi dasar.

CONTOH:
Debit unit optimum Q1opt = 1.12 m3/dtk
Kecepatan unit optimum n1opt = 131 rpm

Kecepatan spesifik nq= SQR(q1opt*)*n1opt =138rpm


Turbin akan didisain untuk beroperasi dengan head (Hr) = 12.2 m pada kecepatan (nr) = 1000 rpm.

Hitung debit, daya dan diameter turbin ini
diameter runner




Debit



Daya





1. Apa yang terjadi jika melihat head atau kecepatan turbin yang tidak benar atau jika turbin beroperasi dengan beban sebagian misalnya pada musim hujan.

Contoh: Turbin beroperasi pada14.7m dan1000rpm. Tentukan titik operasi hill chart dengan posisi guide vane operasional (60°).

Kecepatan spesifik:



Debit spesifik: 1.05 (dari diagram)

Berapa debit, efisiensi dan daya pada posisi guide vane operasional

Efisiensi ηr = 0.85 (dari diagram)

Debit

Daya


2. Satu informasi penting dari hill chart adalah efisiensi beban sebagian pada kecepatan dasar.

Turbin sering tidak beroperasi dengan debit dasar sebagai contoh selama musim kemarau dikarenakan tidak terdapatnya cukup air atau konsumen tidak memerlukan daya puncak selama waktu tertentu. Gambar di bawah ini menunjukkan efisiensi beban sebagian dari berbagai disain turbin.


Gbr. 47 : Efisiensi beban sebagian untuk turbin

Ukuran turbin juga memiliki pengaruh pada efisiensi. Gambar di bawah ini memberikan penaksiran kasar untuk turbin di bawah 100 kW.


Gbr. 48 : Efisiensi puncak untuk turbin di bawah 100 kW


Masalah berikut ini mungkin dapat merusak runner selama pengoperasian turbin:
1. kavitasi
2. erosi
3. korosi


Kavitasi
Untuk turbin-turbin Francis, Kaplan dan propeller (seperti halnya untuk pompa sentrifugal) kavitasi merupakan suatu masalah dan menentukan tinggi air yang diperlukan antara runner dan air di saluran pembuang. Nilai yang diperlukan untuk melakukannya adalah dengan Thoma Nr yang merupakan turbin spesifik dan harus disediakan dari pabrikan. Penaksiran kasar diberikan dalam literatur (siegloch halaman 127). Pada umumnya dapat dikatakan bahwa ketinggian akan mengurangi tekanan ambien dan tekanan evaporasi temperatur air. Kedua efek tersebut akan mengurangi head pengisapan geodetik yang diizinkan. Misalnya turbin propeller beroperasi dengan temperatur air 14°C pada ketinggian 400 m dapat menghasilkan head pengisapan yang lebih besar (sekitar 1 m) seperti turbin yang sama dan beroperasi pada temperatur 25°C dan head 1400 m. Runner turbin pada turbin yang besar harus sering berada di bawah tinggi tail water. Ini akan menambah biaya untuk bangunan sipil.


Gbr. 49: Head pengisapan yang diizinkan

Erosi akibat sedimentasi yang banyak dapat menghentikan daya mesin runner, runnernya akan melemah dan dapat menyebabkan kerusakan yang serius.


6.4. TURBIN CROSS FLOW
6.4.1. Definisi: Turbin Cross Flow:
Untuk turbin cross flow lebar runner (Bt) mungkin pula berbeda dengan lebar modelnya. Nilai-nilai (Qm, Pm, Hm, nm) dari model turbin (index m) dengan dimensi runner tertentu (Dm dan Bm) diukur di dalam laboratorium. Hubungan antara diameter dan lebar runner memiliki pengaruh yang kecil terhadap efisiensi dalam batas 0% - 3% dan lebih praktisnya diabaikan. (untuk turbin-turbin besar efisiensinya naik)



Gbr. 50: Gambar runner (model turbin, turbin unit dan turbin biasa)

6.4.2. NILAI-NILAI UNIT:
Karakteristik dari model turbin yang terukur dikonversi ke dalam MESIN UNIT yang sama secara geometris dengan menggunakan hukum afinitas. Turbin cross flow unit teoritis memiliki diameter D11 = 1 m, lebar runner B11 = 1 m dan beroperasi pada head H11 = 1 m.
Rumusnya dimodifikasi sebagai berikut:
KECEPATAN UNIT (A15)

DEBIT UNIT (A16)

TENAGA PUTARAN UNIT (A17)

DAYA UNIT (A18)

dimana index* = nilai numerik tanpa dimensi (berlaku untuk satuan SI: m dan m3/dtk);


6.4.3. Hill chart
Saat ini runner cross flow yang digunakan di Indonesia terutama adalah model T14/T15. Hill chart diukur di dalam laboratorium di Stuttgart dengan runner 300 mm tanpa shaft di tengahnya. Ke dua garis untuk shaft 30 mm dan 60 mm menandai bahwa crossing jet akan menyentuh shaft dan hill chart di atas garis tersebut tidak berlaku.



Gbr. 51: Contoh Hill chart untuk turbin Cross flow (T14 tanpa shaft memotong runner)

6.4.4. diagram kecepatan
Runner cross flow dilintasi oleh debit. Pada langkah pertama sekitar 70% energi ditransfer ke blade. Kemudian pancaran air bebas memotong runner dan jika air meninggalkan runner maka 30% energi lagi ditransfer ke runner. Rincian dari teori ini ada di dalam SKAT Hydraulic engineering manual.





Gbr. 52: Diagram kecepatan dalam turbin cross flow

Gbr. berikut ini menunjukkan pola aliran di dalam turbin cross flow ketika diuji di hidrolab dengan beban yang berbeda. Dapat dilihat bahwa shaft di dalam runner akan mengganggu pola aliran pada debit yang tinggi. Kecepatan dan debit dari turbin cross flow harus dipilih menurut hasil dari pengujian laboratorium ini.





Gbr. 53: Pola aliran dalam turbin cross flow dengan beban yang berbeda. (tanpa shaft di tengah)

Pengukuran turbin:
Data dasar utama dari turbin T14 adalah:


Nr11 = 38 rpm/min
Qr11 = 0.8 m3/dtk
Etar11 = 76 - 80%


Rumus di atas dimodifikasi sebagai berikut:
kecepatan turbin (A19)

debit turbin (A20)

Contoh Dewata:
diameter runner Dr = 0.3 m
debit Qr = 0.3 m3/dtk
head Hr = 62.5 m

Bo = 158 mm
nr = 1001 rpm
Pr = Rho*g*Hr*qr*etar = 141 kW

Hnet = 60m
Q = 600l/s
Dt = 300mm

Lebar Runner :



Kecepatan :



Kecepatan Runaway

Daya :


Debit jika Lebar Runner 320 :




Daya :



6.5. TURBIN PELTON
6.5.1. Teori dasar turbin Pelton
Turbin Pelton adalah turbin impuls. Pada dasarnya pancaran air bebas membentur runner yang menghasilkan gaya reaksi untuk menggerakkan turbin. Pada keadaan yang ideal kecepatan dari pancaran ini dihitung menurut Toricelli:

(A21)

Pertama kita mempelajari gaya pancaran air pada pelat tetap (tidak bergerak) dengan bentuk yang berbeda:

A: Pelat datar:



(22)















B: bucket sempurna:


(23)
C: bucket riil:
Pada kenyataannya pancaran air akan membentur bucket berikutnya dan keluar dari bucket dengan sudut . Hal ini akan mengurangi gaya dan juga kemungkinan efisiensinya.



(24)


.



D: bucket riil yang bergerak:
Pada runner yang berputar bucket bergerak dengan arah yang sama seperti pancaran air dengan kecepatan sekeliling u.



Hasilnya adalah, bahwa pancaran air membentur bucket dengan kecepatan relatif w
(25)
Gaya yang dihasilkan pada bucket Pelton yang ideal “berputar” dengan kecepatan u akan menjadi:
(26)
E: bucket ideal yang berputar:
Dengan melihat runner turbin yang ideal kita mengetahui, bahwa gaya pancaran air yang bekerja di runner pada pitch circle diameter (PCD). Gaya reaksi membentuk tenaga putaran pada shaft turbin yang berputar menggerakan generator.

Tenaga putaran pada shaft runner: (27)
Daya pada shaft runner: (28)

dengan kecepatan sudut omega: (29)
(n = kecepatan turbin dalam rpm)
dan kecepatan sekeliling pada PCD: (30)

Kita dapat menemukan output daya teoritis yang ideal dari turbin Pelton sebagai fungsi dari debit, kecepatan pancaran air = head dan kecepatan turbin = u


Daya di shaft runner (Persamaan Euler): (31)



Efisiensi teoritis:
(32)
Spreadsheet sederhana dengan menggunakan rumus dasar yang memberikan pemahaman dasar terhadap karakteristik turbin Pelton:






Kecepatan segitiga juga penting untuk dipahami:


A: Kecepatan terlalu tinggi. Pancaran air jika keluar dari runner dengan kecepatan tinggi dalam arah putaran.


B: Kecepatan ideal. Pancaran air jika keluar dari runner dengan kecepatan minimum dalam arah aksial.


C: Kecepatan terlalu rendah. Pancaran air jika keluar dari runner dengan kecepatan tinggi dalam arah berlawanan dengan putaran


Gbr. 54: Pola aliran di dalam turbin pelton dengan beban yang berbeda

6.5.2. Pengukuran
Pengukuran di laboratorium dilaksanakan dari pemuatan generator dengan penambahan beban untuk setiap pembukaan nozzle secara konstan. Dalam pengujian output turbin tidak dapat diukur dan ditaksir secara langsung dengan mengasumsikan efisiensi generator. Generator diukur dengan pengujian yang terpisah, sehingga hasilnya dapat dipercaya dalam batas-batas akurasi pengukuran (+/-5% - 10%).
Hasil yang didapatkan disebut sebagai hill chart yang menandai turbin.

Uraian Nama Satuan
Output generator Pout
Output turbin Pt
Faktor daya Cos phi
Tekanan pada potongan 1 p´1 Bar
Panjang gerak nozzle s m
Kecepatan nt Rpm
Efisiensi generator EtaG
Efisiensi turbin EtaT

Ketika mengukur head dengan manometer di penstock, head bersih yang benar dihitung sebagai berikut:

Gbr. A55: Uraian dari pengukuran turbin Pelton

kecepatan di Penstock (A33)

head bersih (A34)

Output daya turbin (A35)

Efisiensi turbin (A36)
6.5.3. Karakteristik nozzle:
Karakteristik nozzle tergantung pada geometrinya. Diameter nozzle lebih besar dari diameter pancaran minimum (disebut juga vena contracta). Diameter pancaran riil juga berbeda dari diameter teoritis akibat distribusi kecepatan dan gesekan di dalam nozzle.



Gbr. A56: Pancaran air di dalam nozzle sederhana


Kecepatan di vena contracta (A37)

Kontraksi pancaran air (A38)

Debit nozzle (A39)

Koefisien debit (A40)
Dengan : Cv = koefisien kecepatan (biasanya antara 0.95 dan 0.99 – 0.97 dapat dicapai dengan nozzle Peltric yang bagus)
Cc = koefisien kontraksi

Koefisien kontraksi (Cc)
Penentuan yang tepat untuk koefisien kontraksi tidaklah mudah ini tergantung pada geometri nozzle. Literatur memberikan contoh dan rumus yang berbeda untuk nozzle sederhana dan nozzle dengan spear. Di bawah ini akan diberikan contoh-contoh sebagai panduan dalam mendisain:


Contoh nozzle 1 tanpa spear (sumber: Jeremy Thake)


Contoh nozzle 3 dengan spear (sumber: Jeremy Thake)










Sudut nozzle n 60° 80
Sudut spear s tanpa 55
Koefisien debit dasar CDr 0.8-0.83 .62
Langkah spear operasional
Sr/Dn no .52
Diameter spear maksimum Ds/Dn no 1.36
Diameter tekukan nozzle Dp/Dn 2.2 2.6


Dari pengukuran Peltric data berikut ini telah diukur:


Dengan mengetahui koefisien debit, dengan mudah diameter nozzle dapat dihitung sebagai berikut:
Diameter nozzle (A41)



6.5.4. Contoh-contoh dan petunjuk disain
Di dalam literatur sejumlah peraturan yang berbeda akan diberikan. Bahkan pabrikan komersial membuat disain yang berbeda untuk aplikasi yang serupa. Untuk aturan disain peltric untuk turbin yang lebih besar tidak bisa diikuti dengan sempurna karena terdapat kehilangan efisiensi sebesar sekitar 4% - 5% yang bukan merupakan bencana untuk pembangkit 100 MW.
Sebagai cek kira-kira maka aturan-aturan berikut ini perlu diperhatikan:

Lebar dalam bucket B2  3 Djet
Panjang dalam bucket  0.9 B2
Jumlah bucket  16
Jarak terkecil dari bucket ke housing runner side  1.5 B2
radial  2.5 B2

Sudut bucket
Djet  10% - 12% PCD (atau PCD  8 Djet dan  20 Djet)


Contoh untuk disain nozzle yang baik (kemungkinan untuk ukuran yang lebih besar daripada Peltric) diberikan oleh Jeremy Thake (Micro Hydro Pelton Turbine Manual).




Gbr. A57: Petunjuk nozzle di dalam pipa


Gbr. A58: Nozzle tanpa petunjuk di dalam pipa


Koefisien debit dari ke empat unit adalah sebagai berikut: