BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.3 Klasifikasi Turbin Air
2.3.2 Turbin Reaksi
Turbin reaksi adalah turbin yang memanfaatkan energi potensial untuk menghasikan energi gerak. 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. Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin.
Jenis-jenis turbin reaksi yakni:
2.3.2.1. Turbin Francis
Diciptakan oleh James Francis Bichens dari Inggris. Termasuk jenis turbin reaksi dengan arah aliran aksial-radial. Turbin ini beroperasi pada head (tinggi jatuh) 10 – 650 meter, dapat menghasilkan daya 10 – 750 MW dengan Ns (spesific speed) 83 – 1000 rpm. Pada umumnya turbin ini di desain dengan posisi poros vertikal untuk menjaga agar air tidak mengenai rumah generator dan peralatan bantu lainnya. Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan
air bertekanan rendah di bagian keluar. Sudu pengarah pada turbin Francis merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya.
Gambar 2.4Turbin prancis ( Sumber:https semayangboy.com)
2.3.2.2. Turbin Kaplan
Turbin Kaplan termasuk kelompok turbin air reaksi jenis baling-baling (propeller). Keistimewaannya adalah sudut sudu geraknya (runner) bisa diatur (adjustable blade) untuk menyesuaikan dengan kondisi aliran saat itu yaitu perubahan debit air. Turbin ini beroperasi pada head (tinggi jatuh) 10 – 70 meter, dapat menghasilkan daya 5 – 120 MW dengan Ns (spesific speed) 79 – 429 rpm. Pada pemilihan turbin didasarkan pada kecepatan spesifiknya. Turbin Kaplan ini memiliki kecepatan spesifik tinggi (high spesific speed). Turbin kaplan bekerja pada kondisi head rendah dengan debit besar.
Gambar 2.5 Turbin kaplan
(Sumber: http//turbin-kaplan.blogspot.com)
2.3.2.2.1. Prinsip Kerja 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 listrik 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 ini dikarenakan sudu-sudu turbin Kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban yang ada.
2.3.2.2.2 Komponen Utama Turbin Kaplan
Komponen-komponen utama turbin Kaplan adalah: 1. Rumah turbin
Air dari saluran pipa didistribusikan di sekeliling cincin rumah turbin. Rumah turbin didesain sedemikian sehingga luas penampang melintangnya berkurang secara seragam. Luas penampang melintangnya maksimum pada sisi masuk dan minimum pada ujung.
Rumah turbin akan mendistribusikan air secara merata kepada guide vane. Untuk mencapai aliran seragam pada runner blade, maka aliran air harus seragam masuk ke dalam guide vane.
2. Mekanisme pengarah (guide vane)
Sudu pengarah (guide vane) terpasang tetap diantara dua cincin dalam bentuk roda. Roda ini dipasang tetap pada rumah turbin. Sudu pengarah didesain untuk:
Supaya air masuk ke runner tanpa kejut.
Supaya air mengalir tanpa membentuk arus Eddy.
Supaya sejumlah air bisa memasuki turbin.
Sudu pengarah bisa dibuka dan ditutup dengan memutar poros pengatur, sehingga jumlah air bisa diatur sesuai keperluan. Poros pengatur dioperasikan dengan menggunakan governor, yang fungsinya mengatur turbin (yaitu menjaga kecepatan turbin konstan pada beban yang bervariasi).
Gambar 2.7 Guide vane
Turbin Kaplan adalah salah satu jenis dari turbin reaksi aliran ke dalam (inward), yakni turbin reaksi dimana air memasuki roda pada bagian lingkaran luar dan mengalir menuju kedalam melalui sudu (yaitu menuju pusat roda). Turbin reaksi ini terdiri dari sudu pengarah tetap, yang mengarahkan air ke roda
bergerak dengan sudut yang benar. Air ketika mengalir pada sudu/vane, menghasilkan gaya ke roda. Gaya ini menyebabkan roda berputar.
3. Runner blade
Runner blade terdiri dari sudu yang terpasang tetap pada poros atau cincin. Sudu didesain supaya air masuk dan meninggalkan turbin tanpa kejut. Runner blade terpasang pada poros. Jika porosnya vertikal, disebut turbin vertikal, dan jika poros horisontal maka disebut turbin horisontal. Untuk head rendah, runner blade bisa dibuat dari besi tuang, tetapi untuk head tinggi, runner blade dibuat dari baja atau paduan. Jika air secara kimia tidak murni, runner dibuat dari paduan spesial.
Gambar 2.8 Runner blade
4. Draft tube
Air setelah melewati runner, mengalir turun melalui pipa yang disebut draft tube. Draft tube mempunyai fungsi antara lain:
Meningkatkan head air sebesar tinggi runner dari permukaan air.
Meningkatkan efisiensi turbin.
Gambar 2.9 Draft tube
2.3.2.2.3 Dimensi Dasar Turbin Kaplan
Dimensi dasar turbin Kaplan bergantung pada diameter luar runner (D), tinggi guide vane (B), jarak vertikal runner terhadap sisi dalam guide vane (λ), dan diameter hub (d) dapat dilihat pada gambar 2.10
Gambar 2.10 Elemen dasar turbin Kaplan
(Sumber : http://jerryjerrseyy.blogspot.com/2013/12/jenis-turbin-hidrolik.html) Persamaan dasar untuk mencari diameter luar runner (D) :
� = (66,76 + 0,136 ��)√�eff
� ... ... (2.7) Dengan
ns = putaran spesifik [rpm] n = putaran turbin [rpm]
Persamaan dasar untuk mencari tinggi guide vane (B) :
�= �0,45−31,80�� � � ... ... (2.8) Sedangkan persamaan dasar untuk mencari jarak vertikal runner terhadap sisi dalam guide vane (λ):
λ =0,25.D ... ... (2.9) Dan persamaan untuk mencari diameter hub (d) :
�
2.3.2.2.4 Dimensi Dasar Runner Blade
Segitiga kecepatan masuk pada runner blade dapat dilihat pada gambar 2.11 dibawah ini.
Gambar 2.11 Segitiga kecepatan
Dimana,
Vf = Kecepatan aliran air
Ub = Kecepatan tepi (rim) diameter boss U = Kecepatan tepi (rim) diameter luar
Uwb = Kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss Uw = Kecepatan pusaran air (whirl) diameter luar �� = Sudut sudu (blade) pada area fluida masuk (inlet) �� = Sudut sudu (blade) pada area fluida keluar (outlet)
u v v vf 58,62˚ u vf u vf vf u v vf 33,89˚ 146,11 Arah Putaran Sudu (Blade)
Persamaan untuk mencari kecepatan aliran air (Vf) adalah:
Vf = �2gH ...(2.11)
Persamaan untuk mencari Kecepatan tepi (rim) diameter boss dan diameter dalam (������) adalah:
�� = �.��.�
60 ...(2.12) �= �.�.�
60 ...(2.13)
Persamaan untuk mencari Kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss dan diameter dalam adalah :
��� = ��.�.�
100 . ��...(2.14) �� = ��.�.�
100 . �...(2.15)
Persamaan untuk mencari Sudut sudu (blade) pada area fluida masuk (inlet) adalah :
tan (��) = ��
��...(2.16)
Persamaan untuk mencari Sudut sudu (blade) pada area fluida keluar (outlet) adalah :
tan (��) = ���