Segitiga Kecepatan Sudu

BAB IV HASIL DAN ANALISA DATA

4.5 Analisa Momentum Sudut dan Segitiga Kecepatan Sudu

4.5.2 Segitiga Kecepatan Sudu

Gambar 4.39 Skema Segitiga Kecepatan yang Bekerja pada Sudu Turbin Vortex Keterangan:

W = Kecepatan Keliling Sudu (Kecepatan Putaran Sudu)

Ut = Kecepatan Absolut / Kecepatan Fluida Kerja / Kecepatan Tangensial V = Kecepatan Relatif

Dari analisa momentum sudut kita mendapat:

β

α

Karena asumsi pada sisi keluar sudu, komponen kecepatan tangensial fluida sudah ditangkap oleh sudu (=0), maka:

Dari segitiga kecepatan di atas didapat 2 persamaan:

Atau

dan,

Jika disubstitusikan maka:

Jika disubstitusikan ke dalam persamaan daya poros

Maka:

Karena nilai daya sudah didapatkan, maka nilai V dan U dapat disubstitusikan, dan dengan skema segitiga kecepatan di atas, maka dapat dilihat, sudut antara V/Vx atau V/Ut adalah sudut pembentuk sudu.

Dengan menggunakan data momentum sudut pada lubang buang 4 (Lubang buang terakhir semua runner dapat bekerja dengan baik)

a. Sudut pada RUNNER A1

Tabel 4. 27 Tabel Kerja Poros dan Kecepatan Runner A1 RUNNER A1 Kerja poros 1.38530697 2 x Kerja poros 2.77061394 w² 0.69265349 V²-U² 3.46326743

Maka pada Runner A1 V² = 3.46326743 + U²

Jika sudut masuk air ke sudu = 30^O, maka Cos 30^O=Ut/U=0.86 Maka nilai U= 1.99 m/s

Dan V= 2.7 m/s

Maka V/Vx= 0.8/2.7 = 0.3 = Cos α; maka α ≈ 74O b. Sudut pada RUNNER A2

Tabel 4. 28 Tabel Kerja Poros dan Kecepatan Runner A2 RUNNER A2 Kerja poros 0.97244704 2 x Kerja poros 1.94489408 w² 0.48622352 V²-U² 2.4311176

Maka pada Runner A2 V² = 2.4311176 + U²

Jika sudut masuk air ke sudu = 30^O, maka Cos 30^O=Ut/U=0.86 Maka nilai U= 1.7 m/s

Dan V= 2.3 m/s

Maka Vx/V= 0.7/2.3= 0.3 = Cos α; maka α ≈ 72O c. Sudut pada RUNNER A3

Tabel 4. 29 Tabel Kerja Poros dan Kecepatan Runner A3 RUNNER A3 Kerja poros 0.79195717 2 x Kerja poros 1.58391434 w² 0.39597858 V²-U² 1.97989292

Maka pada Runner A3 V² = 1.97989292 + U²

Jika sudut masuk air ke sudu = 30^O, maka Cos 30^O=Ut/U=0.86 Maka nilai U= 1.45 m/s

Dan V= 2.03 m/s

Maka Vx/V= 0.62/2.03= 0.3 = Cos α; maka α ≈ 72O d. Sudut pada RUNNER B

Tabel 4. 30 Tabel Kerja Poros dan Kecepatan Runner B RUNNER B

Kerja poros 0.68764463 2 x Kerja poros 1.37528926

w² 0.34382231

V²-U² 1.71911157

Maka pada Runner B V² = 1.71911157 + U²

Jika sudut masuk air ke sudu = 30^O, maka Cos 30^O=Ut/U=0.86 Maka nilai U= 0.72 m/s

Dan V= 1.5 m/s

Maka Vx/V= 0.58/1.5= 0.3 = Cos α; maka α ≈ 60O 4.5.3 Efisiensi Teoritis Turbin

Nilai efisiensi turbin dapat dicari dengan rumus

Dimana Pair adalah daya maksimum teoritis air di bak vortex, yang dapat dihitung dengan :

Sehingga dapat dihitung daya maksimu teoritis air pada setiap lubang buang: Tabel 4. 31 Tabel Daya Teoritis Air Setiap Lubang Buang

Lubang Buang 1 Lubang Buang 2 Lubang Buang 3 Lubang Buang 4 Lubang Buang 5

Laju Aliran Massa (kg/s) 0.23 0.91 3.33 3.37 4.23

Head Vortex (m) 0.17 0.20 0.34 0.31 0.31

Percepatan Gravitasi (m/s²) 9.80 9.80 9.80 9.80 9.80 Daya Teoritis Air (Watt) 0.37 1.78 10.93 10.24 12.85

a. Pada Lubang Buang 1

Tabel 4. 32 Tabel Efisiensi Tiap Runner di Lubang Buang 1 Lubang Buang 1 runner A1 runner A2 runner A3 runner B

Daya Poros (Watt) 0.16 0.15 0.15 0.15

Daya Teoritis Air (Watt) 0.37

Efisiensi 42.33% 41.39% 40.89% 40.19%

Tabel 4. 33 Tabel Efisiensi Tiap Runner di Lubang Buang 2 Lubang Buang 2 runner A1 runner A2 runner A3 runner B

Daya Poros (Watt) 0.88 0.83 0.80 0.79

Daya Teoritis Air (Watt) 1.78

Efisiensi 49.29% 46.49% 45.13% 44.45%

c. Pada Lubang Buang 3

Tabel 4. 34 Tabel Efisiensi Tiap Runner di Lubang Buang 3 Lubang Buang 3 runner A1 runner A2 runner A3 runner B

Daya Poros (Watt) 6.66 6.01 5.76 5.61

Daya Teoritis Air (Watt) 10.93

Efisiensi 60.92% 54.98% 52.69% 51.28%

d. Pada Lubang Buang 4

Tabel 4. 35 Tabel Efisiensi Tiap Runner di Lubang Buang 4 Lubang Buang 4 runner A1 runner A2 runner A3 runner B

Daya Poros (Watt) 7.15 6.34 5.96 5.77

Daya Teoritis Air (Watt) 10.24

Efisiensi 69.84% 61.94% 58.17% 56.33%

e. Pada Lubang Buang 5

Tabel 4. 36 Tabel Efisiensi Tiap Runner di Lubang Buang 5 Lubang Buang 5 runner A1 runner A2 runner A3 runner B

Daya Poros (Watt) 0 11.38 10.33 9.78

Daya Teoritis Air (Watt) 12.85

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

1. Kecepatan tangensial puncak aliran vortex dari hasil analisis vortex bebas, yaitu:

a. Kecepatan maksimum pada lubang buang 1 : 1.79 m/s b. Kecepatan maksimum pada lubang buang 2 : 1.97 m/s c. Kecepatan maksimum pada lubang buang 3 : 2.56 m/s d. Kecepatan maksimum pada lubang buang 4 : 2.46 m/s d. Kecepatan maksimum pada lubang buang 5 : 2.46 m/s

Dari data di atas dapat disimpulkan kecepatan tangensial puncak paling besar terdapat pada lubang buang 3

2. Dari hasil perhitungan daya maksimum teoritis air didapat:

a. Daya maksimum teoritis air pada lubang buang 1 : 0.37 Watt b. Daya maksimum teoritis air pada lubang buang 2 : 1.78 Watt c. Daya maksimum teoritis air pada lubang buang 3 : 10.93 Watt d. Daya maksimum teoritis air pada lubang buang 4 : 10.23 Watt d. Daya maksimum teoritis air pada lubang buang 5 : 12.58 Watt

Dari data di atas didapat daya maksimum teoritis paling besar didapat dari lubang buang 5.

3. Dari hasil analisa momentum sudut, didapat daya yang bekerja di poros pada setiap lubang buang, yaitu:

a. Lubang buang 1.

-. Daya poros pada runner A1 : 0.014 Watt -. Daya poros pada runner A2 : 0.009 Watt -. Daya poros pada runner A3 : 0.008 Watt -. Daya poros pada runner B : 0.007 Watt b. Lubang buang 2.

-. Daya poros pada runner A1 : 0.22 Watt -. Daya poros pada runner A2 : 0.15 Watt -. Daya poros pada runner A3 : 0.12 Watt -. Daya poros pada runner B : 0.10 Watt c. Lubang buang 3.

-. Daya poros pada runner A1 : 3.29 Watt -. Daya poros pada runner A2 : 2.31 Watt -. Daya poros pada runner A3 : 1.88 watt -. Daya poros pada runner B : 1.63 Watt d. Lubang buang 4.

-. Daya poros pada runner A3 : 2.66 Watt -. Daya poros pada runner B : 2.31 Watt e. Lubang buang 5.

-. Daya poros pada runner A1 : 0 .00 Watt -. Daya poros pada runner A2 : 10.2 Watt -. Daya poros pada runner A3 : 8.29 Watt -. Daya poros pada runner B : 7.20 Watt

dari data di atas dapat disimpulkan daya perolehan maximum pada poros turbin paling tinggi didapat pada lubang buang 5 dengan menggunakan runner A2.

4. Dengan membandingkan daya yang bekerja pada poros dengan daya maksimum teoritis air, didapat efisiensi tiap runner yang dihitung pada tiap lubang, yaitu: a. Lubang buang 1. -. Efisiensi runner A1 : 3.75 % -. Efisiensi runner A2 : 2.63 % -. Efisiensi runner A3 : 2.14 % -. Efisiensi runner B : 1.86 % b. Lubang buang 2. -. Efisiensi runner A1 : 12.38 % -. Efisiensi runner A2 : 8.69 % -. Efisiensi runner A3 : 7.08 % -. Efisiensi runner B : 6.14 % c. Lubang buang 3.

-. Efisiensi runner A1 : 30.12 % -. Efisiensi runner A2 : 21.14 % -. Efisiensi runner A3 : 17.22 % -. Efisiensi runner B : 14.95 % d. Lubang buang 4. -. Efisiensi runner A1 : 45.59 % -. Efisiensi runner A2 : 32.00 % -. Efisiensi runner A3 : 26.06 % -. Efisiensi runner B : 22.63 % e. Lubang buang 5. -. Efisiensi runner A1 : 0.00 % -. Efisiensi runner A2 : 79.26 % -. Efisiensi runner A3 : 64.55 % -. Efisiensi runner B : 56.05 %

dari data di atas dapat disimpulkan efisiensi turbin paling tinggi terdapat pada penggunaan runner turbin A2 pada lubang buang 5.

5.2 SARAN

1.

Untuk penelitian selanjutnya disarankan menggunakan debit yang seragam. 2. Untuk penelitian selanjutnya disarankan menggunakan sudu yang radius

3. Untuk penelitian selanjutnya disarankan menggunakan diameter bak yang lebih besar dengan perbandingan diameter lubang buang/diameter bak 8.5/25 s/d 10.5/25.

3. Untuk penelitian selanjutnya disarankan menggunakan runner yang jumlah sudunya lebih banyak sehingga lubang keluar lebih rapat untuk mengoptimasi nilai massa yang tertangkap sudu.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Vorteks

Dalam Dinamika Fluida, Vorteks adalah sebuah daerah di dalam fluida dimana aliran sebagian besar bergerak memutar pada terhadap sumbu yang imajiner. Pola gerakan disebut Aliran Vorteks. Vorteks terbentuk oleh fluida termasuk cairan, gas, dan plasma. Vorteks adalah sebuah komponen utama dalam aliran Turbulen.⁸ Dengan tidak adanya gaya luar, gesekan viskos dalam cairan cenderung membuat aliran menjadi kumpulan yang disebut vortisitas irrotasional. Dalam pusaran tersebut, kecepatan fluida yang terbesar berada di samping sumbu imajiner, dan penurunan kecepatan berbanding terbalik terhadap jarak dari sumbu imajner. Pusaran sangat tinggi di wilayah inti sekitar sumbu, dan hampir nol di ujung pusaran; sementara tekanan turun tajam saat mendekati wilayah itu. Setelah terbentuk, vorteks dapat berpindah, meregang, berputar, dan berinteraksi secara kompleks. Sebuah Vorteks bergerak membawa serta momentum sudut dan linier, energi, dan massa di dalamnya. Dalam pusaran stasioner, maka streamlines dan pathlines tertutup. Dalam pusaran bergerak atau berkembang, streamline dan pathlines biasanya bergerak spiral.

2.2 Klasifikasi Vorteks

Gbr 2.2 Klasifikasi Vorteks berdasarkan kekuatannya

sumber : Prof. B. S. Thandaveswara, Indian Institue of Technology Madras

Secara umum, fenomena vorteks terbagi atas dua bahagian yaitu :

1. Vorteks Paksa / Vorteks Berotasi

Adalah vorteks yang terbentuk karena adanya gaya luar yang berpengaruh pada fluida.

2. Vorteks Bebas / Vorteks Tak Berotasi

Adalah vorteks yang terbentuk karena fenomena natural, tidak terpengaruh oleh gaya dari luar sistem fluida, pada aliran inkompresibel, umumnya terjadi karena adanya lubang keluar.

Berikut penjelasannya.

2.2.1 Vorteks Paksa / Vorteks Berotasi

Vorteks Paksa dikenal juga sebagai vorteks flywheel². Jika fluida berputar seperti benda kaku - yaitu, jika naik secara proporsional terhadap r - bola kecil yang dibawa oleh arus juga akan berputar pada pusatnya seolah-olah itu adalah

bagian dari benda kaku. Dalam hal ini, vektor omega adalah sama di mana-mana. Arahnya sejajar dengan sumbu putar, dan besarnya adalah dua kali kecepatan sudut untuk seluruh fluida.

Gambar 2.3 Teh Cangkir yang di aduk adalah sebuah Aplikasi Vorteks paksa. Sumber : Khurmi, R.S., 1987

Gambar 2.4 Rotational (rigid-body) vorteks Sumber : M. Bruce, 2006; Wikipedia.org Rumus kecepatan tangential pada vorteks berotasi :

Dimana:

Ut = Kecepatan Tangensial aliran vortex, biasa disebut juga dengan Kecepatan pusar (Swirl Velocity)

ω = Kecepatan sudut aliran vortex paksa, pada vortex paksa kondisinya konstan dimanapun sepanjang aliran.

r = Jari-jari vortex, diukur dari titik pusat vortex.

2.2.2 Vorteks Bebas / Vorteks Tak Berotasi

Ketika massa fluida bergerak secara alami (karena pengaruh gaya-gaya internal) dalam sebuah kurva aliran, gerakan vorteks bebas akan muncul, dalam kasus ini tidak ada torsi ataupun gaya eksternal yang mempengaruhi fluida. Vorteks bebas dikenal juga sebagai potential vorteks. Jika kecepatan tangensial partikel Ut berbanding terbalik dengan jarak r, maka percobaan bola khayalan tidak akan berputar terhadap dirinya sendiri; ini akan mempertahankan arah yang sama sambil bergerak dalam lingkaran di sekitar garis vorteks dan aliran dikatakan tak berotasi. Contoh dari gerakan vorteks bebas adalah aliran air yang keluar dari lubang yang berada di dasar tangki, aliran di pipa yang melengkung, aliran di pinggiran rumah keong pompa, tepat setelah keluar dari impeller pompa sentrifugal, dan aliran angin siklon^.2

Gambar 2.5 Vortex bebas

Dalam analisa aliran vorteks pada bak vorteks ini, digunakan pendekatan analisa melalui pemodelan vorteks bebas ini, dengan asumsi aliran steady dan disederhanakan. Untuk jenis ini, kita dapat menggunakan metode potential vortex.⁸

Karena tidak adanya torsi eksternal yang terjadi pada sistem, maka:

..(2.2) (Sumber: Gupta, S.C. 2006)

Maka:

(sifat dan syarat aliran vorteks bebas) ....(2.3) (Sumber: Gupta, S.C. 2006)

Dimana C selanjutnya disebut sebagai konstanta, faktor penunjuk kekuatan Aliran vorteks yang terbentuk sepanjang radius r, maka kecepatan tangensial pada aliran ini bervariasi secara invers terhadap fungsi r.

Persamaan Gaya-gaya dalam arah radial

Maka,

....(2.4)

(Sumber: Gupta, S.C. 2006)

Karena asumsi tidak ada gerakan dalam arah vertikal, maka variasi tekanan akan dianggap tekanan hidrostatik, maka:

…(2.5) (Sumber: Gupta, S.C. 2006)

Lalu distribusi tekanan pada sebuah aliran vorteks diberikan:

....(2.6)

(Sumber: Gupta, S.C. 2006)

Jika kita substitusikan nilai persamaan (2.4) dan (2.5) ke dalam persamaan (2.6), maka

…(2.7)

Jika persamaan (2.7) diintegralkan;

Setelah disusun kembali menjadi:

...(2.8)

(Sumber: Gupta, S.C. 2006)

Yang merupakan persamaan bernoulli, yang berlaku dimanapun di dalam aliran tak berotasi.

Bunyi hukum Bernoulli:

Teorema Bernoulli menetapkan jumlah keseluruhan dari energy potensial (energy datum), energy tekanan dan energy kinetic dari sebuah aliran ideal fluida inkompresibel adalah tetap pada setiap titik dalam kondisi aliran tunak dan tak berotasi. Batasan hukum Bernoulli:

1. Fluida kerja adalah fluida ideal dan fluida nonviskos

2. Fluida kerja adalah fluida inkompresibel atau fluida tak mampu mampat

3. Aliran fluida dalam kondisi steady atau tak berubah terhadap waktu 4. Aliran fluida adalah aliran tak berotasi.

Dimana;

(Sumber : M. Bruce, 2006) P = Tekanan fluida alir

Z = Elevasi (datum), atau ketinggian air tertentu pada aliran. U= Kecepatan aliran fluida kerja

g = Percepatan gravitasi

w = Berat jenis air (ρxg)

Dalam kasus aliran vorteks bebas, garis-garis arus aliran terpusat dan kecepatan bervariasi berdasarkan radius dan sesuai dengan persamaan yang menunjukkan energi total per satuan berat dari setiap fluida adalah tetap dari masing2 garis arusnya, atau dengan kata lain nilai Head energy fluida, (dH/dr)=0

a. Sirkulasi

Untuk dapat menghitung distribusi dari komponen tangensial dari suatu fungsi atau aliran berkecepatan yang dibatasi oleh sebuah alur atau fungsi kurva tertutup yang kita misalkan dengan S dalam sebuah medan aliran, dalam sebuah analisa dua dimensi, medan aliran dapat direpresentasikan sebagai garis arus.

Gambar 2.6 Notasi untuk menentukan sirkulasi pada kurva tertutup S (Sumber : M. Bruce, 2006)

Jadi, sirkulasi dapat didefinisikan sebagai:

(Sumber : M. Bruce, 2006)

Jika kita mengambil asumsi, kurva S pembatas berbentuk lingkaran, dan garis arus juga berbentuk lingkaran, maka kita dapat mensubstitusikan fungsi sirkulasi

(Sumber : M. Bruce, 2006)

Untuk aliran vorteks bebas, , maka, jika nilai Ut disubstitusikan, maka:

Kemudian diintegralkan;

Dan kesimpulannya :

(Sumber : Gupta, S.C.,2006) Dimana:

Γ = Sirkulasi sepeanjang aliran

C = Konstanta aliran vortex bebas, yang menyatakan kekuatan vortex.

Untuk aliran tak berotasi, nilai sirkulasi pada setiap garis arus adalah sama, maka untuk vorteks bebas:

Maka:

(Sumber : Gupta, S.C.,2006)

b. Menghitung Sirkulasi

Sirkulasi dihitung untuk dapat menghitung kekuatan aliran pada suatu aliran vortex.

Sirkulasi =

Jika kita susbstitusikan nilai Konstanta C dengan U_t yaitu sifat vorteks

bebas maka,

Dimana nilainya tetap pada seluruh garis arus pada aliran vorteks bebas. Karena kondisi steady, maka berlaku hukum Bernoulli:

Jika kita misalkan, aliran pada permukaan yang bersentuhan dengan udara, p1=p2=patm=0(pressure gauge),

Maka,

Jika pada kondisi Z1 adalah titik tertinggi permukaan air (nilai Head) dan Z2 berada pada titik terendah permukaan air (segaris dengan garis dasar bak, nilai Z2=0) maka dapat disimpulkan Z1 - Z2 = Head

Karena faktor gesekan, maka kecepatan tepat pada tepi bak dapat dianggap = 0, maka persamaan di atas dapat disederhanakan menjadi:

Karena nilai sirkulasi di setiap garis arus di seluas daerah aliran adalah sama, maka kita dapat mencari nilai sirkulasi dari substitusi hasil perbandingan persamaan di atas, dengan mensubstitusikan Ut dengan Ut2

(Sumber : M. Bruce, 2006) Dimana:

Γ = Sirkulasi sepeanjang aliran

r = Radius kecepatan pada suatu titik diukur dari titik pusat vortex H = Head vortex, ketinggian maksimum vortex di dalam bak g = Percepatan gravitasi

c. Menghitung Kekuatan Vortex

Setelah mendapatkan nilai sirkulasi, maka kita dapat menghitung nilai dari Konstanta C atau yang disebut juga dengan kekuatan aliran vorteksnya.

Dimana:

Γ = Sirkulasi sepeanjang aliran

C = Konstanta aliran vortex bebas, yang menyatakan kekuatan vortex.

Konstanta kekuatan vortex ini dihitung, agar kita dapat mengetahui kecepatan pada permukaan bebas serta distribusinya.

d. Menghitung Distribusi Kecepatan

Setelah mendapatkan nilai konstanta kekuatan vortex, maka dapat dikembalikan ke persamaan awal sifat vortex bebas, yaitu:

(Sumber : M. Bruce, 2006)

Dengan memasukkan interval nilai radius dari mulai tepi lubang buang sampai tepi dinding bak vortex.

e. Menghitung Tekanan dan Distribusi Tekanan pada Kondisi Tertentu

Setelah mendapatkan nilai konstanta C dan distribusi kecepatan, kita juga dapat

menghitung tekanan (gauge) dan distribusi tekanan sepanjang r pada Δz=0,

dengan meninjau kembali persamaan energi Bernoulli:

(Sumber : Gupta, S.C., 2006) ket:

Ut = Kecepatan tangensial, kecepatan pusar, kecepatan swirl vorteks H = Zmax = Ketinggian aliran air maksimum pada bak vorteks

Dimana pada titik sembarang sulit mengetahui kecepatan tangensial langsung secara teoritistanpa menghitung tekanan terlebih dahulu, maka nilai Ut dapat disubstitusikan dengan nilai C, sehingga menjadi :

(Sumber : Gupta, S.C., 2006)

Sehingga dapat ditentukan tekanan pada sembarang titik pada aliran tertentu dengan basis perhitungan konstanta C, karena nilai C adalah konstan seluas bidang alir.

(Sumber : Gupta, S.C., 2006)

ket:

P = Tekanan fluida alir pada sembarang titik (pressure gauge) Z = Elevasi, atau ketinggian air tertentu pada aliran vorteks C = Konstanta kekuatan vortex

H = Zmax = Ketinggian aliran air maksimum pada bak vorteks

Setelah mendapat tekanan pada koordinat (r,Z) tertentu, maka dapat juga dicari kecepatan pada titik tersebut dengan persamaan:

(Sumber : Gupta, S.C., 2006)

f. Memprediksi ketinggian (Z) permukaan bebas (p=patm)

Setelah menghitung kecepatan tangensial fluida sepanjang vortex bebas, maka ketinggian permukaan bebas tersebut juga dapat dihitung dengan modifikasi ketetapan bernoullli menjadi:

(Sumber : Gupta, S.C., 2006) ket:

Z = Ketinggian permukaan bebas pada r tertentu r = jari-jari vortex tertentu

C = Konstanta kekuatan vortex H = Total head vortex

2.3 Turbin Air

Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk industry pembangkit listrik. Sekarang lebih umum dipakai untuk generator listrik. Turbin kini dimanfaatkan secara luas dan merupakan sumber energi yang dapat diperbaharukan. Kincir air sudah sejak lama digunakan untuk industri tenaga listrik. Pada mulanya yang dipertimbangkan adalah ukuran kincirnya, yang membatasi debit dan head yang dapat dimanfaatkan. Perkembangan kincir air menjadi turbin modern membutuhkan jangka waktu yang cukup lama.

metode dan prinsip ilmiah. Mereka juga mengembangkan teknologi material dan metode produksi baru pada saat itu.

Kata "turbine" ditemukan oleh seorang insinyur Perancis yang bernama

Claude Bourdin pada awal abad 19, yang diambil dari terjemahan bahasa Latin

dari kata "whirling"(pusaran) atau "vorteks" (pusaran air). Perbedaan dasar antara turbin air awal dengan kincir air adalah komponen putaran air yang memberikan energi pada poros yang berputar. Komponen tambahan ini memungkinkan turbin dapat memberikan daya yang lebih besar dengan komponen yang lebih kecil. Turbin dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih cepat dan dapat memanfaatkan head yang lebih tinggi. (Untuk selanjutnya dikembangkan turbin impulse yang tidak membutuhkan putaran air).

Turbin – turbin hidrolik berfungsi mengubah energi air menjadi energi kinetik, kemudian energi kinetik akan diubah menjadi energi listrik oleh generator. Hal ini menyebabkan setiap pembahasan tentang turbin hidrolik akan mengikutsertakan generator sebagai pembangkit listrik. Air mengalir melalui turbin akan memberikan tenaga pada penggerak (runner) turbin dan membuat

runner itu berputar. Poros dari penggerak turbin berhubungan dengan poros

generator sehingga energi kinetik turbin menjadi input bagi generator dan diubah menjadi energi listrik. Jadi turbin – turbin hidrolik menempati kunci dalam bidang teknik hidrolik dan memberikan kontribusi yang besar dari seluruh biaya proyek, terutama untuk PLTA skalabesar.

2.3.1 Klasifikasi Turbin Air

Turbin hidrolik adalah suatu alat yang dapat menghasilkan torsi sebagai akibat gaya dinamik dan gaya tekan air, turbin hidrolik ini dapat dikelompokkan menjadi dua tipe, yaitu :

1. Turbin Reaksi (reaction turbine) adalah turbin yang mengkombinasikan energypotensial tekan dan energi kinetik untuk menghasilkan energi gerak.

2. Turbin Impuls (impuls turbine) adalah turbin yang memanfaatkan energikinetik dari pancaran air yang berkecepatan tinggi untuk diubah menjadienergi gerak.

Diagram klasifikasi turbin air dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

Gambar 2.7 Klasifikasi Turbin air Sumber : www.wikipedia.or.id

2.3.2 Turbin Reaksi (Reaction Turbine)

Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi. Proses ekspansi fluida kerja pada turbin reaksi terjadi pada sudu

pengarah dengan tekanan yang tinggi. Pada saat air yang bertekanan tersebut mengalir kesekeliling sudu - sudu, runner turbin akan berputar penuh. Energi yang ada pada air akan berkurang ketika meninggalkan sudu. Energi yang hilang tersebut telah diubah menjadi energi mekanis oleh roda turbin. Dilihat dari konstruksinya, turbin reaksi ada dua jenis:

1) Turbin Francis.

Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian keluar. Turbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air masuk secara tangensial. Sudu pengarah pada turbin francis dapat merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang tepat.

Gambar 2.8 Turbin Francis Sumber : Rajput Rames, 2000

2) Turbin Kaplan.

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 inidikarenakan sudu-sudu turbin kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban yang ada.

Gambar 2.9 Turbin Kaplan Sumber : Rajput Rames, 2000

2.3.3 Turbin Impuls (Impulse Turbine)

Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozzle atau sistem serupa nozzle. Air keluar nozle yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga

Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan.Adapun jenis – jenis turbin impuls adalah sebagai berikut :

1) Turbin Pelton.

Turbin pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nosel. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi.

Gambar 2.10 Turbin Pelton Sumber : Rajput Rames, 2000

Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah-tengah sudu dan pancaran air tersebut akan berbelok ke kedua arah sehinga bisa membalikkan pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping. Untuk turbin dengan daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi lewat beberapa