BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.7. Mekanikal Elektrikal
2.7.1. Turbin (turbine)
tekanan dan kinetik) menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Air mengalir melalui turbin, memberi tenaga pada penggerak (runner) dari turbin dan membuatnya berputar. Corong dari penggerak berhubungan langsung dengan generator, asalkan tenaga mekanik yang penting tersalur pada generator. Jadi, turbin-turbin menempati posisi kunci dalam bidang teknik hidro elektrik dan membentuk suatu bagian besar dan seluruh jumlah biaya proyek.
Kecepatan spesifik setiap turbin memiliki kisaran (range) tertentu berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air adalah sebagai berikut:
Tabel 2.2. Range kecepatan spesifik berbagai jenis turbin
Jenis Turbin Range Kecepatan Spesifik (rpm)
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. Beberapa formula yang dikembangkan dari data eksperimental berbagai jenis turbin dapat digunakan untuk melakukan estimasi perhitungan kecepatan spesifik turbin, yaitu:
Tabel 2.3. Rumusan kecepatan spesifik berbagai jenis turbin
Jenis Turbin Kecepatan spesifik (rpm) Referensi
Turbin pelton (1 jet) Ns = 85.49/H0,243 (Siervo & Lugaresi, 1978) Turbin Francis Ns = 3763/H0,854 (Schweiger & Gregory, 1989) Turbin Kaplan Ns = 2283/H0,486 (Schweiger & Gregory, 1989) Turbin Crossfiow Ns = 513.25/H0,505 (Kpordze & Wamick, 1983) Turbin Propeller Ns = 2702/H0,5 (USBR, 1976)
Dengan mengetahui besaran kecepatan spesifik maka dimensi dasar turbin dapat diestimasi (diperkirakan). Pemilihan jenis turbin didasarkan pada ketersediaan teknologi secara lokal dan biaya pembuatan/pabrikasi yang lebih murah dibandingkan tipe lainnya.
Jenisjenis turbin yang dipergunakan di bidang teknik hidroslistrik pada saat ini, adalah
a. Turbin Francis b. Turbin Pelton
c. Turbin baling-baling dan Kaplan d. Turbin Turgo
e. Turbin Crossflow atau Bank.
Tabel 2.4. Daerah Operasi Turbin
Jenis Turbin Variasi Head ( m ) Kaplan dan Propeller 2 < H < 20
Francis 10 < H < 350 Pelton 50 < H < 1000 Crossflow 6<H<100 Turgo 50 H < 250 2.7.1.1. Turbin Francis
Turbin-turbin Francis adalah jenis turbin yang paling banyak dipakai pada PLTA saat ini. Turbin Francis bekerja dengan aliran air yang bertekanan. Jadi untuk turbin Francis itu selalu mengalir penuh pada penggerak yang sama dengan selubung penuh air.
Penggerak turbin terdiri dari sebuah pisau melengkung yang dilas pada dua shroud. Deretan pisau bervariasi dari 12 sampai 22 tergantung pada kecepatan spesifik (nomor rendah untuk kecepatan-kecepatan spesifik di atas 300 rpm).
Cara kerja turbin Francis adalah Air dari pipa pesat masuk ke dalam selubung spiral di bawah tekanan dan mengalir melalui pintu-pintu kecil masuk ke dalam penggerak (runner). Setelah mengalir meninggalkan penggerak, air melalui sebuah tube sementara dan saluran buang. Tujuan dari tube sementara adalah untuk mengetahui kecepatan dari
tinggi aliran air yang keluar dari penggerak, juga untuk mengusahakan penggerak mempunyai tingkat aliran hilir tanpa mengurangi tinggi air yang bersangkutan.
2.7.1.2. Turbin Pelton
Turbin ini terdiri dari sebuah piringan-piringan lingkaran pada pinggir-pinggirnya (periphery). Pada instalasi pembangkit listrik tenaga air ukuran besar, Turbin Pelton normalnya diperhitungkan memiliki head gross setinggi 150 meter. Namun, untuk instalasi mikro hidro Turbin Pelton dapat digunakan pada head yang lebih rendah. Diameter turbin Pelton berukuran kecil yang berputar dengan kecepatan tinggi dapat menghasilkan 1 kW listrik pada head tidak lebih dan 20 meter.
Prinsip kerja dan turbin Pelton adalah mengubah energi kinetik air yang masuk ke jet menjadi gaya rotasi angular dan menghantarkannya ke generator sehingga menghasilkan energi listrik. Turbin Pleton termasuk turbin yang memilki efisiensi yang sangat baik, air yang terbuang setelah memberikan tekanan pada runner hanya menyisakan energi kinetik yang sangat sedikit.
2.7.1.3. Turbin Kaplan dan Baling-Baling
Pengaturan umum untuk baling-baling dan turbin Kaplan adalah kurang lebih sama dengan turbin Francis. Jadi, selubung scroll, cincin stay dan tube sementara dalam keadaan similar seperti dalam selubung-selubung turbin Francis dan menjalankan fungsi yang sama. Perbedaan yang besar yaitu dimana turbin-turbin
Francis dicampurkan dengan turbin-turbin aliran. Baling-baling dan Kaplan merupakan turbin aliran aksial. Penggerak turbin ini menyurupai sebuah baling-baling yang terdiri dari pusat pada pinggirnya, dimana baling-baling berbentuk lengkung ditegakkan. Baling-baling bertindak seperti kantiliver-kantiliver didukung hanya pada pusat. Jumlah dayung untuk sebuah baling-baling turbin Kaplan bervariasi dari 3 hingga 8 tergantung pada jangkauan kecepatan spesifik. Baling-baling berbentuk sebuah badan berongga semikonal permukaan luar dimana menjadi batas dari pemasukan air. Di dalam poros terdapat corong turbin.
2.7.1.4. Turbin Turgo
dengan turbin Pelton. Tetapi, pemancar air (jet) di disain untuk memberikan tekanan kepada penggerak (runner) yang memiliki sudut (biasanya 20°). Pada turbin ini, air masuk menuju runner melalui satu sisi dan keluar dari sisi yang berbeda. Sebagai akibatnya, aliran dari runner Turgo dapat masuk tanpa batas oleh cairan yang bercampur dengan jet yang baru masuk.Selanjutnya, turbin turgo dapat memilki diameter runner yang lebih kecil dari pada Pelton namun memilki daya yang sebanding.
Turbin Turgo memilki beberapa kerugian. Pertama, turbin Turgo lebih sulit pembuatannya dibandingkan dengan turbin Pelton karena bentuk baling-baling lebih kompleks. Kedua, tampilan turbin Turgo merupakan muatan aksial yang kokohpada runner dimana hares menyediakan kecocokan poros pada ujung lobangnya.
2.7.1.5. Turbin Crossflow
Turbin Crossflow sering juga disebut dengan turbin Banki, Mitchell atau turbin Ossberger. Turbin Crossflow terdiri dari sebuah tong berbentuk penggerak (runner)terbuat dari dua bush piringan yang terhubung dengan lingkaran terdekat oleh beberapa gerigi yang melengkung. Turbin Crossflow memiliki penggerak horizontal pada bawah kotaknya (tidak seperti Pelton atau Turgo yang dapat memiliki runner horizontal atau vertikal). Pada operasiannya, pipa berbentuk kotak secara langsung memancarkan air sepanjang runner. Air mendorong gerigi dan memberikan banyak energi kinetik.
Pemilihan jenis turbin dapat ditentukan berdasarkan kelebihan dan kekurangan dari jenis-jenis turbin, khususnya untuk suatu desain yang sangat spesifik. Pada tahap awal, pemilihan jenis turbin dapat diperhitungkan dengan mempertimbangkan parameter-parameter khusus yang mempengaruhi sistem operasi turbin, yaitu:
1. Faktor tinggi jatuhan air efektif (Net Head) dan debit yang akan dimanfaatkan untuk operasi turbin merupakan faktor utama yang mempengaruhi pemilihan jenis turbin, sebagai contoh: turbin pelton efektif untuk operasi pada head tinggi, sementara turbin propeller sangat efektif beroperasi pada head rendah.
2. Faktor daya (power) yang diinginkan berkaitan dengan head dan debit yang tersedia.
3. Kecepatan (putaran) turbin yang akan ditransmisikan ke generator.