BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.3 Turbi
Kemajuan teknologi sekarang ini dalam bidang teknik mesin terutama dalam bidang konversi energi dan pemanfaatan alam sebagai sumber energi
banyak dibuat peralatan-peralatan yang inovatif dan tepat guna. Diantaranya adalah pemanfaatan air yang bisa digunakan untuk menghasilkan listrik. Alat tersebut adalah berupa turbin yang digerakkan oleh air yang disambungkan dengan generator. Air yang mengalir mempunyai energi yang dapat digunakan untuk memutar roda turbin.
Turbin air dikembangkan pada awal abad ke-19 dan digunakan secara luas untuk tenaga industri sebelum adanya jaringan listrik. Kata turbin ditemukan oleh insinyur Perancis yang bernama Claude Bourdin yang diambil dari terjemahan bahasa Latin dari kata whirling (putaran) atau vortex (pusaran air) pegunungan.Turbin dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih cepat dan dapat memanfaatkan head yang lebih tinggi. Sekarang turbin air digunakan untuk pembangkit tenaga listrik.
Air yang mengalir mempunyai energi yang dapat digunakan untuk memutar roda turbin, karena itu pusat-pusat tenaga air dibangun di sungai-sungai dan di pegunungan-pegunungan. Pusat tenaga air tersebut dapat dibedakan dalam dua golongan, yaitu pusat tenaga air tekanan tinggi dan pusat tenaga air tekanan rendah.
Dalam suatu PLTA, turbin air merupakan salah satu peralatan utama selain generator. Turbin air mengubah energi air (energi potensial, tekanan dan energi kinetik) menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Energi mekanik dalam bentuk putaran poros ini akan diubah oleh generator listrik menjadi tenaga listrik.
Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi potensial air yaitu:
Ep = m × g × h
Keterangan:
Ep = energi potensial air (Joule)
m = massa air (kg)
h = tinggi air jatuh (meter)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
Dengan menggunakan rumus-rumus mekaina fluida, daya turbin, luas penampang lintang saluran dan dimensi baian-bagian turbin lainnya serta bentuk energi dari aliran air dapat ditentukan.
Ukuran dan penampang saluran aliran air, termasuk sudut-sudut sudu dari konstruksi turbin air yang berbeda-beda adalah diperuntukkan pada keadaan pembebanan yang normal (kebanyakan untuk pembebanan penuh). Dari kapasitas airQdan tinggi air jatuh efektifHeff.dapat diperoleh daya yang dihasilkan turbin:
P = Q × × G × Heff× T
Keterangan:
P = daya turbin (KW)
Q = kapasitas air (m3/detik) = massa jenis cairan (kg/m3)
Heff = head efektif (m)
T = effisiensi turbin
Selama tinggi air jatuh efektif Heff. tetap sama daya yang dihasilkan turbin disesuaikan dengan kebutuhan, dengan jalan mengubah-ubah kapasitasQ. Hal ini terjadi karena posisi peralatan pengarah yang berubah. Sebagai hasilnya didapat perbedaan harga randemen turbuin T pada saat pembebanan sebagian dari pada saat pembebanan penuh.
Pembebanan Sebagian; Informatif [2]
Gambar 2.7 Diagram Bernoulli Untuk Turbin Air[2]
Persamaan momentum untuk pipa yang dialiri fluida, dimana sifat fluida konstan sebagai berikut:
Saat head losses akibat gesekan tidak diperhitungkan, maka persamaan momentum akan berubah menjadi persamaan Bernoulli. Persamaan ini ditemukan pada aliran fluida yang tidak mengalami gesekan.
Persamaan momentum untuk titik 1 dan 3, diperoleh:
Persamaan momentum untuk titik 2 dan 3, diperoleh:
Keterangan:
P = tekanan absolut (N/m2)
v = kecepatan (m/s)
Hl = head losses pada pipa (m)
Heff = head efektif (m)
Untuk kondisi-kondisi instalasi turbin air di atas dimana:
Untuk waduk (reservoir titik 1) kecepatanV1 0.
Persamaan kontinuitas:
Q = V × A
Keterangan:
Q = debit aliran (m3/detik)
V = kecepatan aliran (m/s)
A = luas penampang pipa (m2)
Head losses yang terjadi pada saluran pipa:
1. Mayor Lossesyang terjadi akibat gesekan aliran dalam satuan pipa
2. Minor Losses yang terjadi akibat adanya perlengkapan (equipment) pipa, seperti belokan(elbow), valve,saringan dan peralatan lainnya.
Gambar 2.8 Kincir Air[11]
Kincir air adalah jenis turbin yang paling kuno, sudah sejak lama digunakan oleh masyarakat. Teknologinya sederhana dan biasanya bekerja pada tinggi air yang rendah berkisar antara 0,1 meter sampai 12 meter (roda kincir besar), dengan kapasitas aliran antara 0,05 m3/det sampai 5 m3/det, serta kecepatan putarannya kecil berkisar pada 2 rpm sampai 12 rpm. Selain energi tempat, faktor yang harus diperhatikan pada kincir air adalah pengaruh berat air yang mengalir masuk ke dalam sel-selnya.
Air yang mengalir ke dalam dan ke luar dari kincir tidak mempunyai tekanan lebih, hanya tekanan atmosfir saja. Kecepatan air yang mengalir ke dalam kincir harus kecil, sebab bila kecepatannya besar ketika melalui sel air akan melimpah ke luar atau energi yang ada hilang percuma.
Berdasarkan prinsip kerjanya turbin air dibagi menjadi dua kelompok, yaitu turbin impuls dan turbin reaksi.
Table 2.1 Pengelompokan Turbin
High Head Medium Head Low Head Impulse Turbine Pelton
Turgo
Cross Flow Multi-Jet Pelton Turgo
Reaction Turbine Francis Propeller Kaplan
Pelton
Gambar 2.9 Klasifikasi Turbin Air[2]
1. Turbin Impuls atau Turbin Tekanan Sama
Yang dimaksud dengan turbin impuls adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air (yang teridiri dari energi potensial-tekanan-kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi puntir dalam bentuk putaran poros. Atau dengan kata lain, energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nosel. Contoh turbin impuls adalah turbin Pelton. Turbin Pelton dipakai untuk tinggi air jatuh yang besar.
Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang ke luar nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfer di sekitarnya. Semua energi tinggi tempat, dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin diubah menjadi energi kecepatan (Gambar 2.15).
Gambar 2.10 Skema Turbin Pancar (Turbin Pelton), jalannya tekanan di dalam pipa dan di dalam roda jalan[2]
2. Turbin Reaksi atau Turbin Tekanan Lebih
Turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir dalam bentuk putaran. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu.
Turbin ini terdiri dari sudu pengarah dan sudu jalan dan kedua sudu tersebut semuanya terendam di dalam air. Air dialirkan ke dalam sebuah terusan atau dilewatkan ke dalam sebuah cincin yang berbentuk spiral (rumah keong). Perubahan energi seluruhnya terjadi di dalam sudu gerak (Gambar 2.11).
Turbin air yang paling banyak digunakan adalah turbin reaksi. Turbin reaksi digunakan untuk aplikasi turbin dengan head rendah dan medium.
Pada turbin reaksi, letak turbin harus diperhatikan agar tidak terjadi bahaya kavitasi yang terjadi akibat adanya tekanan absolut yang lebih kecil dari tekanan uap air. Kavitasi dapat menyebabkan sudu-sudu turbin menjadi berlubang-lubang kecil, sehingga mengurangi efisiensi turbin yang akhirnya dapat pula merusak sudu turbin. Jika turbin diletakkan lebih tinggi dari tinggi tekanan isap, maka kavitasi akan terjadi, sehingga letak turbin harus selalu di bawah tinggi tekanan isap(Hs).
Gambar 2.11 Sistem Kerja Dari Tinggi Air Jatuh mulai dari
sudu pengarah, sudu jalan dan ke pipa. Pembagian energi tinggi air jatuh ke sudu pengarah; di sudu jalan timbul tekanan kerendahan dan di dalam pipa isap tekanan tersebut kembali terbentuk[2]
2.3.2 Perbandingan Karakteristik Turbin
Kecepatan spesifik setiap turbin mempunyai kisaran (range) tertentu berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air adalah sebagai berikut:
Tabel 2.2 Kecepatan Spesifik Turbin[10]
Turbin Pelton 12 < ns< 25
Turbin Francis 60 < ns< 300 Turbin Crossflow 40 < ns< 200 Turbin Propeller 250 < ns< 1000
Dengan mengetahui kecepatan spesifik turbin, maka perencanaan dan pemilihan jenis turbin akan menjadi lebih mudah, bahkan dimensi dasar turbin dapat diestimasi (diperkirakan).
Gambar 2.12 Perbandingan Karakteristik Turbin[11]
Pada gambar terlihat turbin Kaplan adalah turbin yang beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran air yang tinggi, atau bahkan beroperasi pada kapasitas yang sangat rendah. Hal ini karena pada saluran sudu jalan belokannya hanya sedikit saja. Pada waktu bekerja sudu jalan turbin ini dapat diatur posisinya, disesuaikan dengan perubahan tinggi air jatuh.
Gambar 2.13 Daerah Penggunaan dari Beberapa Jenis Konstruksi Turbin yang Berbeda[2]
Dalam pembuatan roda turbin, kebanyakan pertama sekali membuat modelnya, setelah model tersebut diselidiki, diuji dan diubah-ubah sehingga menghasilkan daya dan randemen turbin yang baik, kemudian baru dibuat roda turbin yang besar/sesungguhnya menurut bentuk modelnya.
