Turbin Air

Turbin Air

Presented by:

Ahmad Mufid (C2A ) Faiz Setyo Budi (C2A112001)

Definisi

energi mekanik berupa putaran sudu jalan (runner).

Aliran air diarahkan langsung menuju sudu-sudu melalui pengarah, menghasilkan daya sirip.

Menurut Arah Aliran Air Menurut Perubahan Momentum Fluida Menurut Letak Poros Turbin

Turbin Aliran Radial

Aliran air masuk runner tegal lurus dengan poros runner, mengakibatkan runner berputar.

Contoh: Turbin Pelton, Cross-Flow, Turgo, dll. Turbin Aliran Aksial

Air masuk runner dan keluar runner sejajar dengan poros runner. Contoh: Turbin Kaplan, propeller

Turbin Aliran Aksial-Radial

Air masuk runner secara radial dan keluar runner secara aksial/sejajar poros runner.

Contoh: Turbin Francis

Menurut Perubahan Momentum

Fluida

Turbin Reaksi

Turbin ini memanfaatkan energi potensial untuk menghasilkan energi gerak. Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin.

Turbin Impuls

Turbin ini memanfaatkan energi potensial air yang diubah menjadi energi kinetik melalui nozzle.

Menurut Letak Poros

Poros turbin dapat diletakkan secara vertikal atau

horisontal, misalnya Turbin Pelton biasanya

porosnya dipasang horisontal, sedangkan untuk

unit-unit besar porosnya dipasang vertikal.

Jenis-jenis Turbin Air

FRANCIS KAPLAN

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.

Gambar Segitiga Kecepatan Turbin Francis Persamaan Momentum T = m [ ( r . V_w )₁ – ( r . V_w )₂ ] . Dengan asumsi Cv = 1 V_w1 = V . cos α₁ = Cv ( 2 . g . H )1/2 . cos α 1 = ( 2 . g . H )1/2 . cos α 1

Untuk turbin air jenis francis, V_w2 = 0

maka

T = m [ r₁ . ( 2.g.H )1/2 . cos α 1 ]

appendix

v = kecepatan absolute (m/s) u = kecepatan tangensial (m/s) w = kecepatan relatif (m/s) v_f = kecepatan aliran (m/s) v = kecepatan sudu (m/s) .

T = torsi / momen puntir (Nm) m = laju aliran massa (kg/s) H = tinggi jatuh air (m) r₁ = jari-jari sisi luar turbin (m)

₁ = sudut air masuk sudu (derajat) ₂ = sudut air keluar sudu (derajat) ₁ = sudut sudu bagian masukan air (derajat) ₂ = sudut sudu bagian keluaran air (derajat)

Turbin kaplan

Dikembangkan oleh Dr. Victor Kaplan dari Austria pada tahun 1913. 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.

Gambar Segitiga Kecepatan Turbin Kaplan

Untuk Turbin Kaplan U₁ = U₂ = U

Turbin

pelton

Daya yang dapat dihasilkan oleh turbin ini sekitar 50 KW – 100 MW. Pada turbin pelton energi potensial air berubah menjadi energi kinetik melalui nosel disemprotkan ke bucket untuk dirubah menjadi energi mekanik yang digunakan untuk memutar poros generator. Ditemukan oleh Lester Allan Pelton dari

U.S.A pada Tahun 1870an. Turbin Pelton mengubah energi yang diberikan oleh pancaran nozzle. Turbin jenis ini bekerja pada head tinggi (antara 30 – 1000 meter) tetapi debitnya kecil (0,2 – 3 m3_/s).

Gambar Segitiga Kecepatan Turbin Pelton

Untuk Turbin Pelton V₁ = U₁ + W₁

V₁ = Vu₁ W₁ = W₂ U₁ = U₂ = U

TURBIN

CROSSFLOW

Salah satu jenis turbin impuls ini juga dikenal dengan nama Turbin Michell-Banki yang merupakan penemunya Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 litres/sec hingga 10 m3_{/sec dan head antara 1 s/d 200 m.}

Turbin Cross flow menggunakan nozzle persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Air mengalir keluar membentur sudu dan memberikan energinya (lebih rendah dibanding saat masuk) kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa

Gambar Segitiga Kecepatan Turbin Cross-Flow

Untuk turbin air jenis crossflow, U₁ = U₂ = U

Vw₁ = V₁ . cos ₁ V_w2 = 0

Karakteristik turbin air

Untuk memperbandingkan prestasi turbin-turbin yang mempunyai output dan kecepatan yang berbeda dan beroperasi pada tinggi angkat (head) yang berbeda pula, untuk menyederhanakan perbandingan umumnya dilakukan dengan mengambil acuan tinggi angkat (head) air sebesar satu meter. Tiga karakteristik turbin yang didasarkan pada tinggi angkat (head) satuan adalah:

Unit Daya (Pu)

Unit Kecepatan (Nu)

Unit daya

Daya yang dihasilkan sebuah turbin yang bekerja pada tinggi angkat sebesar satu meter, dikenal sebagai unit daya. Unit daya dapat dirumuskan sebagai berikut:

Unit kecepatan

Unit kecepatan didefinisikan sebagai kecepatan turbin yang bekerja pada tinggi angkat sebesar satu meter. Besarnya unit kecepatan dapat dirumuskan sebagai berikut:

Unit discharge

Unit discharge adalah aliran keluaran suatu turbin yang bekerja pada tinggi angkat sebesar satu meter. Unit discharge dapat dirumuskan sebagai:

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR

PLTA merupakan sebuah sistem pembangkitan energi listrik yang memanfaatkan energi potensial dari suatu aliran air, mengubahnya menjadi energi kinetik dengan cara mengalirkan melalui pipa-pipa air, kemudian ditumbukkan ke sebuah Turbin Air menggunakan nozzle atau sudu-sudu pengarah. Turbin Air yang tertumbuk air akan berputar menghasilkan energi mekanis yang digunakan untuk memutar rotor generator, sehingga menghasilkan listrik.

Rumus Prinsip Kerja PLTA

Head (H)

Daya Turbin (P

T

)

Daya Generator (P

out

)

Efisiensi Sistem (



PLTA

)

Daya Hidrolis (P

H

)

Kecepatan Spesifik (Ns)

Head

Head adalah tinggi jatuh air yang dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin. Head dilambangkan sebagi H. Dalam sebuah sistem pembangkit, head merupakan selisih antara head isap dengan head tekan. Tinggi jatuh air dapat dirumuskan sebagai berikut:

Dengan: H = tinggi jatuh air, dalam satuan meter Hs = tinggi jatuh air pada sisi isap turbin, dalam satuan meter

Hd = tinggi jatuh air pada sisi keluar turbin, dalam satuan meter

Daya Hidrolis

Daya hidrolis didefinisikan sebagai daya yang dihasilkan oleh air yang mengalir dari suatu ketinggian. Daya hidrolis dilambangkan sebagai P_H. Daya hidrolis dirumuskan sebagai berikut:

Dengan : Q = debit air (m3_/s)

Daya Turbin

Daya turbin adalah daya yang dibangkitkan oleh turbin air dengan mengubah energi kinetik air menjadi energi mekanik berupa putaran turbin. Daya turbin dilambangkan sebagai P_T. Besarnya daya turbin dapat dihitung menggunakan rumus sebagai berikut:

Dengan : N = putaran nominal turbin (rpm) T = torsi / momen puntir (Nm)

Daya generator

Daya yang dibangkitkan generator dilambangkan sebagai P_out. Merupakan daya yang dibangkitkan oleh sebuah system pembangkit setelah mengalami rugi-rugi secara keseluruhan.

Dengan : v = tegangan generator (volt) I = arus generator (ampere) cos  = faktor daya

Efisiensi Sistem

Efisiensi sistem adalah kemampuan peralatan pembangkit untuk mengubah energi kinetik dari air yang mengalir menjadi energi listrik. Besarnya kerugian didalam turbin akan mempengaruhi efisiensinya. Efisiensi PLTA terdiri dari efisiensi pada sudu turbin, efisiensi pada poros dan efisiensi pada generator. Besarnya efisiensi sistem dapat dirumuskan sebagai berikut:

Efisiensi sistem biasanya dinyatakan dalam persen (%)

Kecepatan Spesifik

Kecepatan spesifik turbin didefinisikan sebagai kecepatan sebuah turbin

imajiner, yang identik dengan turbin sebenarnya, namun hanya menghasilkan daya satu satuan pada head satu satuan.

dimana, Ns = kecepatan spesifik (rpm)

N = kecepatan putaran turbin (rpm) P = Daya Hidrolis Air (Watt)

Dalam prakteknya, kecepatan spesifik paling sering digunakan. Harga kecepatan spesifik akan membantu kita dalam memperkirakan prestasi

Contoh Soal

1. Sebuah pengujian PLTA yang menggunakan Turbin Francis

menghasilkan data sbb:

• Beban Aktif = 3 MW

• Sudut Guide Vane = 45o

• Debit Air = 3 m3_/s

• _{Tinggi muka air DAM = 461 m}

• Tinggi muka air Tail Race = 316 m

• _{Diameter Turbin = 1,0 m}

Penyelesaian:

• Langkah Pertama, menghitung head (tinggi jatuh air) yang digunakan oleh sistem H = Hs – Hd

Hd = head discharge (pada Tail Race) Hs = head suction (pada DAM)

H = 461 – 316 = 145 meter

• Langkah Kedua, menghitung laju aliran massa air m =  . Q

• Langkah Ketiga, menghitung Torsi

Dengan mengasumsikan Cv = 1, kecepatan sudu (v_w) dapat dihitung v_w1 = v . cos α₁ = Cv ( 2 . g . H )1/2 _{. cos 45}o = ( 2 . 9,806 . 145 )1/2 _{. 0,707} = 40,85 m/s T = m [ ( r . v_w )₁ – ( r . v_w )₂ ] = 2991,06 [ ( 0,5 . 40,85) – 0 ] = 61092,4 Nm

• Langkah Keempat, menghitung Daya Turbin P_T = 2 . π . N . T

60

• Langkah Kelima, menghitung Daya Hidrolis Air P_H =  . g . Q . H

= 997,02 . 9,806 . 3 . 145 = 3896000 Watt

= 3,896 MW

• Langkah Keenam, menghitung efisiensi PLTA

Dalam sistem pembangkit listrik, beban aktif merupakan daya yang dibangkitkan oleh generator listrik (P_G).

_PLTA = x 100 % = x 100 % = 77 % P_out P_H 3 3,896

2. Sebuah turbin Pelton menghasilkan daya 1750 kW pada head 100 meter ketika turbin beroperasi pada 200 rpm dan mengeluarkan debit air sebesar 2500 liter/s. Carilah daya satuan, kecepatan satuan dan debit satuan dari turbin!!

SEKIAN PRESENTASI DARI KAMI

ATAS PERHATIANNYA

KAMI UCAPKAN