BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Turbin Air
Turbin air termasuk dalam kelompok mesin fluida yaitu, mesin yang berfungsi untuk mengubah energi fluida (energi potensial dan energi kinetis air) menjadi energi mekanis atau sebaliknya. Mesin ini berfungsi untuk mengubah energi fluida menjadi energi mekanis pada poros. misalnya : turbin air, turbin uap, turbin gas, kincir air, kincir angin dan lainnya. Pompa, kompresor, blower, fan dan
lain-lain berfungsi untuk mengubah energi mekanis pada poros menjadi energi fluida (energi potensial dan energi kinetis).
Menurut sejarahnya, turbin-turbin air yang sekarang berasal dari kincir-kincir air pada zaman abad pertengahan yang dipakai untuk memecah batubara dan pabrik gandum. Salah satu kincir air tersebut dapat dilihat di Aungrabad, India yang telah berumur 400-an tahun.
Walaupun banyak terdapat desain turbin hidrolik dengan masing-masing keistimewaannya, secara umum hampir semua turbin dapat diklasifikasikan dalam dua tipe dasar turbin impuls dan turbin reaksi. Secara umum turbin impuls merupakan mesin dengan head yang tinggi, dan laju aliran yang rendah, sedangkan turbin reaksi merupakan mesin dengan head yang rendah dan laju aliran yang tinggi.
Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat, karena pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik (pada air mengalir). Tenaga air (hydropower) adalah energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan
dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran air di sungai.
kincir air/turbin air. Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi potensial air yaitu :
� = . . ℎ……… (2.1)
Daya merupakan energi tiap satuan waktu E sehingga persamaan (2.1)
dapat dinyatakan sebagai:
=
. .ℎ………... (2.2)Dengan mensubstisusikan P terhadap dan ρQ terhadap maka persamaan (2.1) dapat dinyatakan sebagai berikut:
= . . . ℎ
………... (2.3) Dimana:P = daya air ( watt ) ρ = densitas air ( kg/m3 ) Q = kapasitas aliran ( m3/s )
Selain memanfaatkan air jatuh, tenaga air (hydropower) dapat diperoleh dari aliran air datar di mana energi yang tersedia merupakan energi kinetik.
� = �
…….……… (2.4)Dimana:
Ek = energi kinetik ( Joule ) v = kecepatan aliran air ( m/s )
Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut:
2.2 Sejarah Turbin Air
Kata "turbine" ditemukan oleh seorang insinyur Perancis yang bernama “Claude Bourdin” pada awal abad 19, yang diambil dari terjemahan bahasa Latin dari kata "whirling" (putaran) atau "vortex" (pusaran air). Perbedaan dasar antara turbin air 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 impuls yang tidak membutuhkan putaran air.
Sejarah ditemukannya turbin yaitu bermula dari ditemukannya kincir air yang sudah sejak lama digunakan untuk tenaga industri. 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. Perkembangan yang dilakukan dalam waktu revolusi industri menggunakan metode dan prinsip ilmiah. Mereka juga
mengembangkan teknologi material dan metode produksi baru pada saat itu. “Ján Andrej Segner” mengembangkan turbin air reaksi pada pertengahan tahun 1700. turbin ini mempunyai sumbu horizontal dan merupakan awal mula dari
turbin air modern. Turbin ini merupakan mesin yang masih diproduksi saat ini untuk pembangkit tenaga listrik skala kecil. “Segner” bekerja dengan “Euler” dalam membuat teori matematis awal untuk desain turbin. Pada tahun 1820, “Jean-Victor Poncelet” mengembangkan turbin aliran ke dalam.
Turbin Francis dinamakan sesuai dengan namanya, yang merupakan turbin air modern pertama. Turbin ini masih digunakan secara luas di dunia saat ini.
Turbin air aliran ke dalam mempunyai susunan mekanis yang lebih baik dan semua turbin reaksi modern menggunakan desain ini. Putaran massa air berputar hingga putaran air yang semakin cepat membangkitkan energi. Energi tersebut dibangkitkan pada sudu dengan memanfaatkan berat jatuh air dan pusarannya. Tekanan air berkurang sampai nol sampai air keluar melalui sirip turbin dan memberikan energi.
Sekitar tahun 1890, bantalan fluida modern ditemukan, sekarang umumnya digunakan untuk mendukung pusaran turbin air yang berat. Hingga tahun 2002, bantalan fluida terlihat mempunyai arti selama lebih dari 1300 tahun. Sekitar tahun 1913, Victor Kaplan membuat turbin Kaplan, sebuah tipe mesin baling-baling. Ini merupakan evolusi dari turbin Francis tetapi dikembangkan dengan kemampuan sumber air yang mempunyai head kecil.
Pada tahun 1993, Fritz Dietzel menjelaskan bahwa turbin Kaplan sesuai dengan persamaan Euler yaitu semakin kecil tinggi air jatuh yang tersedia, maka
semakin kecil pula belokan aliran air di dalam sudu jalan. Dengan bertambahnya kapasitas air yang masuk ke dalam turbin, makin akan bertambah besar pula luas penampang saluran yang dialiri air, dan dengan demikian maka kecepatan putar
turbin bisa ditentukan/ dipilih lebih tinggi. Jika ditemukan kecepatan spesifik bertambah, maka kelengkungan sudu, jumlah sudu, dan belokan aliran air di dalam sudu berkurang.
Pada permulaan sekali di saat pengembangan pusat tenaga sungai, turbinnya menggunakan roda baling-baling dengan sudu-sudu tetap yang dituang. Untuk tempat pusat listrik tenaga sungai harus dihitung dahulu besarnya perubahan tinggi air jatuhnya sepanjang tahun. Dan aliran sungai tersebut bisa diatur melalui bendungan. Semakin besar kapasitas air yang mengalir pada saat air tinggi, akan makin kecil tinggi air jatuh yang bisa dimanfaaatkan, karena tinggi permukaan air atas adalah tetap konstan sedangkan air kelebihan pada permukaan air bawah akan naik.
perpindahan energi yang baik hanya terjadi pada titik normal yaitu pada kondisi perbandingan kecepatan dan tekanan tertentu. Bila terjadi penyimpangan yang besar baik ke atas maupun ke bawah, seperti yang terdapat pada pusat listrik tenaga sungai, randemen roda baling-balingnya turbin cepat atau lambat akan turun.
Keuntungan turbin baling-baling bila dibandingkan dengan turbin Francis adalah kecepatan putarnya bisa dipilih lebih tinggi, dengan demikian roda turbin bisa dikopel atau dihubungkan langsung ke generator dan ukurannya pun lebih kecil. Oleh Prof. Kaplan (Bruun, 1878-1934), turbin baling-baling dikembangkan sedemikian rupa sehingga sudu jalannya dapat diputar dalam leher poros. Jadi dengan demikian, sudut sudu dapat diatur sesuai dengan kondisi saat itu.
Nainggolan, David Permadi (2014), menjelaskan dalam penelitian rancang bangun turbin Kaplan pada head satu meter dengan laju aliran 0,00088 m3/s, dimana sudut sudu pengarah (guide vane) yang digunakan 45o dan variasi sudu turbin (runner blade) 4,5,dan 6 menghasilkan kesimpulan pada 4 runner blade menghasilkan putaran turbin 160 rpm, pada 5 runner blade menghasilkan putaran turbin 186 rpm, dan pada 6 runner blade menghasilkan putaran turbin 182 rpm.
Dengan demikian diperoleh kesimpulan bahwa putaran tertinggi terjadi pada 5 runner blade dengan sudut pengarah ( guide vane ) 45o.
2.3. Komponen Turbin
2.3.1. Stator
Stator turbin terdiri dari dua bagian, yaitu casing dan sudu diam (fixed blade). Namun untuk tempat kedudukan sudu-sudu diam yang pendek dipasang diafragma.
a. Casing
b. Sudu Tetap
Sudu merupakan bagian dari turbin dimana konversi energi terjadi. Sudu terdiri dari bagian akar sudu, badan sudu dan ujung sudu. Sudu kemudian dirangkai sehingga membentuk satu lingkaran penuh. Sudu-sudu tetap dipasang melingkar pada dudukan berbentuk piringan yang disebut diafragma.
2.3.2. Rotor
Rotor adalah bagian turbin yang berputar terdiri dari poros dan sudu-sudu gerak yang terpasang mengelilingi rotor.
a. Poros
Poros dapat berupa silinder panjang yang solid (pejal) atau berongga (hollow). Pada umumnya poros turbin sekarang terdiri dari silinder panjang yang solid. Sepanjang poros dibuat alur-alur melingkar yang biasa disebut akar (root) untuk tempat dudukan, sudu-sudu gerak (moving blade).
b. Sudu Gerak
Sudu gerak adalah sudu-sudu yang dipasang di sekeliling rotor membentuk suatu piringan. Dalam suatu rotor turbin terdiri dari beberapa baris piringan dengan diameter yang berbeda-beda
c. Bantalan
2.4. Klasifikasi Turbin Air
Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, namun yang paling utama adalah klasifikasi turbin air berdasarkan cara turbin air tersebut merubah energi potensial air menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini, maka turbin air dibagi menjadi dua yaitu:
1. Turbin impuls 2. Turbin reaksi
2.4.1. Turbin Impuls
Turbin impuls adalah turbin yang bekerja karena aliran air. Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nosel. Air keluar nosel yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Akibatnya sudu gerak akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfer sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke
sudu jalan turbin diubah menjadi energi kecepatan. Dengan demikian, kecepaan aliran air dapat diperoleh:
Energi potensial air = energi kinetik air
pancaran air pada mangkok ganda runner. Oleh karena itu maka turbin Pelton juga disebut turbin pancaran bebas. Penyempurnaan terbesar yang dilakukan Pelton (sebagai penemu turbin) yakni dengan menerapkan mangkok ganda simetris. Bentuk ini pada dasarnya masih tetap berlaku. Punggung pembelah membagi jet menjadi dua paruh yang sama, yang dibelokkan menyamping. Pada dasarnya turbin terdiri atas runner, nosel dan rumah turbin.
Gambar 2.1. Turbin Pelton
(Sumber : Turbin, Pompa dan Kompresor, Fritz Diesel)
2.4.1.2 Turbin Turgo
Gambar 2.2. Turbin Turgo
(Sumber: http://sistem-tenaga-listrik.blogspot.co.id/2011/05/plta-pembangkit-listrik-tenaga-air-part.html diakses pada kamis, 6 Oktober 2016 pukul 01.00 WIB)
2.4.1.3 Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow
Tipe turbin impuls lainnya dalah turbin Crossflow (Stapenhorst, 1978) yang biasa disebut sebagai turbin banki atau turbin Mitchell. Turbin cross flow
merupakan turbin impuls yang berporos horizontal bekerja dengan cara tekanan air dikonversikan menjadi energi kinetik di inlet adaptor. Aliran air
yang menyebabkan berputarnya runner setelah berbenturan pertama dengan sudu turbin, kemudian menyilang (cross flow) mendorong sudu tingkat kedua.
Gambar 2.3. Turbin Crossflow
2.4.2. Turbin Reaksi
Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir. Turbin reaksi disebut juga turbin tekanan lebih dimana tekanan air masuk sudu lebih besar dari tekanan air keluar sudu.
Perbedaannya dengan turbin impuls, turbin reaksi memiliki sudu tetap/sudu pengarah dan sudu gerak. Sudu tetap (guide vane) mengarahkan aliran air masuk ke sudu gerak. Kecepatan air keluar sudu gerak sangat tinggi sehingga tekanannya rendah (vakum). Untuk memperbesar tekanan air digunakan draft tube yang menghubungkan sisi keluar turbin dengan permukaan air bawah. Karena tekanannya rendah, sering juga terjadi kavitasi, yaitu pecahnya gelembung-gelembung uap air di dalam turbin.
2.4.2.1. Turbin Francis
Adapun 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 2.4. Turbin Prancis
2.4.2.2. Turbin Kaplan
Turbin Kaplan (Propeler) adalah salah satu turbin reaksi aliran aksial. Turbin ini tersusun seperti propeller pada perahu. Propeller tersebut biasanya mempunyai tiga hingga delapan sudu. Bila dibandingkan antara turbin Francis dan turbin Kaplan mengenai kecepatan putar dan ukurannya hampir tidak berbeda. Untuk beban tidak penuh, randemen turbin Kaplan adalah lebih baik, sebab sudu pengarah dan sudu gerak pada waktu bekerja sama-sama bisa diatur (Dietzel, Fritz. 1998).
Gambar 2.5. Turbin Kaplan
(Sumber : Turbin, Pompa dan Kompresor, Fritz Diesel)
2.4.2.2.1. Prinsip Kerja Turbin Kaplan
Turbin Kaplan memiliki kemiripan dengan turbin Francis dalam hal cara kerjanya menggunakan prinsip turbin reaksi. Turbin ini mempunyai sudu gerak yang mirip dengan 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
mempunyai efisiensi paling tinggi, hal ini dikarenakan sudu-sudu turbin Kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban yang ada.
Tabel 2.1. Persamaan dan Perbedaan Turbin Reaksi
Turbin Reaksi Persamaan Perbedaan
Turbin Francis
Cara kerja turbin
hampir sama.
Sudu pengarahnya
saja yang dapat diatur.
Turbin Kaplan
Sewaktu berkerja,
sudu pengarah dan sudu gerak dapat diatur
2.4.2.2.2. Komponen Utama Turbin Kaplan
Komponen-komponen utama turbin Kaplan adalah: 1. Rumah turbin (Spiral Chasing)
2. Sudu pengarah (Guide Vane) 3. Sudu gerak (Runner blade) 4. Draft tube
2.4.2.2.3. 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
Gambar 2.6. Elemen Dasar Turbin Kaplan
Persamaan dasar untuk mencari diameter runner (D):
= , + , � √HN…………...…….………....…(2.7) Dimana:
Ns = putaran spesifik (rpm)
N = putaran turbin (rpm)
Persamaan dasar untuk mencari tinggi guide vane (B) :
� = . − �, …….……...………. (2.8)
Persamaan untuk mencari diameter dalam (Db):
= � − ………. (2.9)
2.4.2.2.4 Dimensi Dasar Runner Blade
Gambar 2.7. Segitiga Kecepatan Masuk Dan Keluar Sudu Gerak
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)
Persamaan untuk mencari kecepatan aliran air adalah: = √ . .
Persamaan untuk mencari kecepatan tepi (rim) diameter boss dan diameter dalam ( b dan ) adalah:
= �. 2.�………...……….…. (2.10)
Persamaan untuk mencari kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss dan diameter dalam adalah :
� = ��.�.ℎ. ..……..……….….…. (2.12)
=
��.�.ℎ. …..……….…. (2.13)
Persamaan untuk mencari sudut sudu (blade) pada area fluida masuk (inlet) adalah:
�� = � ………. (2.14)
Persamaan untuk mencari sudut sudu (blade) pada area fluida keluar (outlet) adalah:
� = � ..………. (2.15)
2.5. Karakteristik Turbin
Gambar 2.8. Grafik Perbandingan Karakteristik Turbin
(Sumber : https://rahmanta13.wordpress.com/2011/05/20/turbin-air/)
Dapat dilihat pada gambar 2.8 turbin Kaplan adalah turbin yang beroperasi
pada head yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi. Hal ini karena sudu - sudu turbin dapat diatur secara manual atau otomatis untuk merespon perubahan kapasitas.
2.6 . Seleksi Awal Jenis Turbin
Untuk setiap jenis turbin terdapat suatu nilai kisaran tinggi terjun dan kecepatan spesifik yang sesuai. Korelasi empiris antara terjun (H) dan kecepatan spesifik (Ns) disajikan dibawah ini.
Untuk turbin Francis, Moody memperoleh korelasi sebagai berikut:
� = �+ , + ………..……….…. (2.16)
Sedangkan untuk Kaplan, sebagai berikut:
� = �+ , + ……….…. (2.17)
Dengan H adalah tinggi terjun netto (m) dan Ns adalah kecepatan spesifik.
Tabel 2.2 Jenis-Jenis Turbin Air dan Kisaran Kecepatan Spesifiknya (Ns)
Jenis Turbin Ns (metrik)
1. Turbin Impuls a. Satu jet (Turbin Pelton) 4-30 b. Banyak jet (turbin Doble) 30-70
2. Turbin Reaksi
Sudu tetap (Turbin Nagler) 400-800
Sudu dapat diatur (Turbin Kaplan) 500-1000
Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Air selalu diusahakan agar generator dikopel langsung dengan turbin. Atau dengan kata lain putaran turbin terbatas pemilihannya agar dapat dikopel dengan generator. Putaran turbin berhubungan dengan putaran spesifik, atau dapat dituliskan sebagai berikut:
� =
�√� �………..………...… (2.18)
Di mana:
N = putaran turbin (rpm) P = daya air ( W)
H = head (m)
Dari nilai spesifik ini dapat ditentukan jenis turbin yang digunakan yang dapat dijelaskan sebagai berikut :
Ns = 8 - 50 jenis turbin Pelton Ns = 50 - 149 jenis turbin Francis
Ns = 150 - 1000 jenis turbin Kaplan atau Propeler
Beberapa turbin impuls menggunakan beberapa nosel untuk meningkatkan kecepatan spesifik dan keseimbangan gaya poros. Umumnya, turbin impuls digunakan untuk tempat dengan head tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head rendah. Turbin Kaplan baik digunakan untuk semua jenis debit dan head, efisiensinya baik dalam segala kondisi aliran. Turbin Francis dan Kaplan besar biasanya mempunyai poros / sudu vertikal karena ini menjadi penggunaan
paling baik untuk head yang didapatkan, dan membuat instalasi generator lebih ekonomis. Poros Pelton bisa vertikal maupun horisontal karena ukuran turbin lebih kecil dari head yang di dapat atau tersedia.
2.7. Alternator
Bila sejumlah kawat email dililitkan ke paku, lalu kawat dialiri arus listrik, gulungan itu menimbulkan medan magnet, dan menyebabkan paku tersebut menjadi magnet. Kuatnya magnet ditentukan oleh berapa banyak gulungan kawat dan berapa besar arus listriknya. Magnet jenis ini lazim disebut sebagai elektromagnet.
2.8. Sabuk Datar Dan Puli
Sabuk umumnya dipakai pada puli, sabuk ini lebih tenang dan efisien pada kecepatan tinggi, dan juga mampu mentransmisikan sejumlah daya yang besar pada jarak pusat puli yang panjang.
2.8.1 Jenis Gerakan Pada Sabuk
Energi dari suatu puli ditransmisikan kemanapun. Berikut jenis gerakan pada sabuk:
1. Gerakan sabuk terbuka
Gerakan sabuk terbuka ditunjukkan di dalam gambar 2.9, jenis ini digunakan diporos. Berputar dan paralel yang diatur ke arah yang sama. Ketika memusat jarak antara kedua poros besar, kemudian sisi yang ketat sabuk harus lebih rendah.
Gambar 2.9 Sabuk Terbuka
(Sumber: Machine Design, R. S. Khurmi dan J. K. Gupta)
2. Gerakan membelit atau melingkar pada sabuk
Gambar 2.10 Gerakan Membelit atau Melingkar pada Sabuk (Sumber: Machine Design, R. S. Khurmi dan J. K. Gupta)
3. Gerakan dengan puli pengarah
Gerakan sabuk dengan puli pengarah ditunjukkan didalam gambar 2.11, dengan menggunakan poros yang digunakan untuk pengaturan paralel dan ketika sabuk terbuka tidak adapat digunakan dalam sudut yang kecil dan penghubung pada puli kecil. Pengarah jenis ini disajikan untuk memperoleh perbandingan percepatan tinggi dan ketika tegangan sabuk yang diperlukan
tidak bisa diperoleh oleh alat-alat lain. Ketika itu diinginkan untuk mentransmisikan gerakan dari satu poros ke beberapa poros, semua diatur didalam paralel, suatu sabuk menggerakan dengan banyak puli.
2.9. Daya Listrik
Daya listrik adalah banyaknya energi tiap satuan waktu dimana pekerjaan sedang berlangsung atau kerja yang dilakukan persatuan waktu. Dari definisi ini, maka daya listrik (Pl) dapat dirumuskan:
= ……….………...……. (2.19)
= . .
= . ……….………..… (2.20)
Dimana:
P = daya listrik (watt) V = tegangan (volt)
