BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Potensi Energi Air
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 kincir air atau turbin air yang
memanfaatkan adanya suatu air terjun ataupun aliran air disungai. Turbin air dikembangkan
pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk pembangkit tenaga listrik. Berdasarkan prinsip
kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi kinetik.
Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya
head dan debit air. Banyaknya sungai dan danau air tawar yang ada di Indonesia merupakan
modal awal untuk pengembangan energi air ini. Namun eksploitasi terhadap sumber energi
yang satu ini juga harus memperhatikan ekosistem lingkungan yang sudah ada. Pemanfaatan
energi air pada dasarnya adalah pemanfaatan energi potensial gravitasi. Energi mekanik
aliran air yang merupakan transformasi dari energi potensial gravitasi dimanfaatkan untuk
menggerakkan turbin atau kincir. Umumnya turbin digunakan untuk membangkitkan energi
listrik sedangkan kincir untuk pemanfaatan energi mekanik secara langsung. Untuk aliran
yang melewati turbin, maka besar daya yang dihasilkan dapat dihitung dengan persamaan :
P = ρ.g.Q.H
eff.ŋt
dimana : P = daya air (watt)ρ = massa jenis air (kg/m3)
Q = debit aliran (m3/det) g = gravitasi bumi (m/det2) Heff = head efektif (m)
2.2 Mesin – Mesin Fliuda
Mesin-mesin fluida adalah mesin-mesin yang berfungsi untuk mengubah energi mekanis
menjadi energi fluida ( energi potensial dan energi mekanis ) atau sebaliknya yaitu
merubah energi fluida menjadi energi mekanis sesuai dengan pengertian diatas, maka
klasifikasi mesin-mesin fluida secara umum adalah :
1. Mesin-mesin tenaga
Mesin-mesin tenaga merupakan mesin fluida yang dapat merubah energi fluida
menjadi energi mekanis. Yang termasuk dalam kelompok ini adalah turbin air dan
kincir air
2. Mesin-mesin kerja
Mesin-mesin kerja merupakan mesin fluida yang dapat merubah energi mekanis
menjadi energi fluida. Yang termasuk dalam kelompok ini adalah pompa, blower,
kolpresor, dan fan.
Sesuai dengan spesifikasi tugas yang diberikan maka dalam tulisan ini akan dibahas
mengenai turbin air secara khusus.
2.3 Pengertian Tubin Air
Turbin air yaitu suatu mesin yang dipergunakan untuk mengamil tenaga air untuk
diubah menjadi tenaga listrik, jadi berfungsi untuk mengubah tenaga air menjadi
tenaga mekanis, sedangkan tenaga mekanis ini diubah menjadi tenaga listrik oleh
generator.
Turbin adalah mesin penggerak dimana energi fluida kerja dipergunakan langsung
untuk memutar sudu turbin. Bagian turbin yng bergerak dinamakan rotor atau sudu
turbin, sedangkan bagian yang tidak berputar dinamakan stator atau rumah turbin.
Secara umum, turbin adalah alat mekanika yang terdiri dari poros dan sudu-sudu.
Sudu tetap ataupun stationary blade, tidak ikut berputar bersama poros, dan berfungsi
mengarahkan aliran fluida. Sedangkan sudu putar atau rotary blade, mengubah arah
dan kecepatan aliran fluida sehingga timbul gaya yang memutar poros. Air biasnya
dianggap sebagai fluida yang tak kompresibel, yaitu fluida yang secara virtual massa
Ada beberapa kesamaan teori dari turbin air dan pompa air, dengan perbedaan utama
energi transfer yang berkebalikan. Turbin air mengubah energi potensial dari air
menjadi energi mekanis putaran poros. Sedangkan pompa air mengubah energi
mekanis putaran poros menjadi gerak aliran air.
Turbin konvensional, dalam kelompok mesin penggerak mula atau prime movers
ada tiga macam yaitu :
1. Turbin air dengan media kerja air.
2. Turbin gas dengan media kerja gas panas yang bertekanan.
3. Turbin uap dengan media kerja uap.
Ketiga macam turbin tersebut mempunyai kemiripan dalam konstruksi, namun beda
dalam termodinamikanya, karena fluida kerjanya yang tidak sama.
Teori turbin air bertujuan terutama untuk mendapatkan kerja optimum dalam
pemanfaatan energi air pada suatu kondisi oprasi tertentu. Dasar kerja turbin air
sangat sederhana ini sudah ditemukan sebelum dimulainya tahun masehi. Teknologi
turbin air merupakan perkembangan dari kincir air (water wheel). Perbedaan utama
antara kinci air dan turbin air adalah bahwa kincir air hanya mengubah kecepatan
aliran, sedangkan turbin air mengubah arah dan kecepatan aliran.
Pada saat sekarang, penggunaan turbin air lebih banyak digunakan dibandingkan
kincir air. Hal ini disebabkan karena turbin air mempunyai keuntungan-keuntungan
antara lain :
1. Ruang yang diperlukan lebih kecil.
2. Dapat beroperasi dengan kecepatan yang lebih tinggi.
3. Mampu membangkitkan daya yang lebih besar dengan ukuran yang relatif kecil.
4. Daerah putaran (rpm) yang lebih luas, sehinga memungkinkan hubungan langsung
dengan generator.
5. Mampu memanfaatkan beda ketinggian permukaan air dari yang sangat rendah
sampai yang ekstrim tinggi.
6. Dapat bekerja terendam didalam air.
7. Mempunyai efisiensi yang relatif lebih baik.
2.4 Komponen-komponen Turbin
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 diapragma.
a. Casing
Casing atau shell adalah suatu wadah berbentuk menyerupai sebuah tabung dimana
rotor ditempatkan. Pada ujung casing terdapat ruang besar mengelilingi poros turbin
disebut exhaust hood, dan diluarcasing dipasang bantalan yang berfungsi untuk
menyangga rotor.
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
diapragma. Pemasangan sudu-sudu tetap ini pada diapragma menggunakan akar
berbentuk T sehingga memberi posisi yang kokoh pada sudu.
Diapragma terdiri dari dua bagian (atas dan bawah) dan dipasang pada alur-alur yang
ada didalam casing. Setiap baris dari rangkaian sudu-sudu tetap ini membentuk suatu
lingkaran penuh dan ditempatkan langsung didepan setiap baris dari sudu-sudu gerak
.
2. Rotor
Rotor adalah bagian yang berutar terdiri dari poros dan sudu-sudu gerak yang
terpasang mengelilingi rotor. Jumlah baris sudu gerak pada rotor sama dengan jumlah
baris sudu diam pada casing. Pasangan antara sudu diam dan sudu gerak disebut
tingkat (stage).
a. Poros
Poros dapat berupa silinder panjang yang solid (pejal) atau berongga (hollow). Pada
poros dibuat alur-alur melingkar yang biasa disebut akar (root) untuk tempat dudukan,
sudu-sudu gerak (moving blade).
b. Sudu Gerak
Sudu gerak adakah sudu-sudu yang dipasang di sekeliling rotor membentuk suatu
piringan. Dalam suatu rotor turbin terdiri dari beberapa baris piringan dengan
diameter yang berbeda-beda, banyaknya baris sudu gerak biasanya disebut banyaknya
tingkat.
c. Bantalan
Bantalan berfungsi sebagai penyangga rotor sehingga membuat rotor dapat
stabil/lurus pada posisinya didalam casing dan rotor dapat berputar dengan aman dan
bebas. Adanya bantalan yang menyangga turbin selain bermanfaat untuk menjaga
rotor turbin tetap pada posisinya juga menimbulkan kerugian mekanik karena
gesekan. Sebagai bagian yang berputar, rotor memiliki kecenderungan untuk bergerak
baik dalam arah radial maupun dalam arah aksial. Karena itu rotor harus ditumpu
secara baik agar tidak terjadi pergeseran radial maupun aksial yang berlebihan.
Komponen yang dipakai untuk keperluan ini disebut bantalan (bearing).
2.5 Jenis – Jenis Turbin
Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi
energi mekanis, turbin dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin Impuls dan
turbin Reaksi. Turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan
turbin reaksi.
Sebelum berkembang menjadi turbin Pelton dan turbin Crossflow (jenis impuls),
dan turbin Francis dan turbin Kaplan (jenis reaksi) seperti yang banyak ditemukan
saat sekarang, beberapa jenis turbin dengan kontruksi yang relative sederhana telah
mengawalinya. Di samping itu juga telah dilakukan upaya penyempurnaan dengan
memodifikasi rancangan dari turbin-turbin yang sudah mapan seperti turbin Pelton,
turbin Crossflow, turbin Francis, dan turbin Kaplan. Beberapa jenis turbin air dapat
disebut seperti turbin Banki, turbin Fourneyron, turbin Girard, turbin Turgo, turbin
Jonval, turbin Thomson, turbin Deriaz, turbin Heber, turbin Schwan-Krug.
kepentingan tidak begitu besar artinya, namun dari kepentingan akademik, beberapa
jenis turbin air ini perlu juga dikenal.
2.5.1 Turbin Impuls
Pada turbin impuls energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nosel. Air
keluar nosel yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu tubir. Setelah
membentur sudu turbin arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan
momentum (impuls). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah
turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekananya adalah sama
dengan tekanan atmosfil sekitarnya. Beberapa contoh dari turbin impuls tubin pelton
dan turbin crossflow.
1. Turbin Pelton.
Turbin pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu
jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang
disebut nosel. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien.
Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi.
Gambar 2.1 Sudu Tubin Pelton
Sumber
Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk
air tersebut akan berbelok ke kedua arah sehinga bisa membalikkan pancaran air
dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping. Untuk turbin dengan
daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi lewat beberapa nosel. Dengan
demikian diameter pancaran air bisa diperkecil dan ember sudu lebih kecil. Turbin
Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150 meter
tetapi untuk skala mikro head 20 meter sudah mencukupi.
Gambar 2.2 Turbin Pelton
Sumber
2. Turbin Crossflow (Turbin Michell-Banki).
Pada turbin impuls pelton beroperasi pada head relatif tinggi, sehingga pada
head yang rendah operasinya kurang efektif atau efisiensinya rendah. Karena alasan
tersebut, turbin pelton jarang dipakai secara luas untuk pembangkit listrik skala kecil.
Sebagai alternatif turbin jenis impuls yang dapat beroperasi pada head rendah adalah
turbin crossflow atau turbin impuls aliran ossberger. Turbin crossflow dapat
dioperasikan pada debit 20 litres/sec hingga 10 m3/sec dan head antara 1 s/d 200 m.
Komponen – komponen utama konstruksi turbin crossflow adalah sebagai berikut :
1. Rumah Turbin.
3. Roda Jalan.
4. Penutup.
5. Katup Udara.
6. Pipa Hisap.
7. Bagian Peralihan.
Aliran air dilewatkan melalui sudu-sudu jalan yang berbentuk silinder,
kemudian aliran air dari dalam silinder ke luar melalui sudu-sudu. Jadi perubahan
energi aliran air menjadi energi mekanik putar terjadi dua kali yaitu pada waktu air
masuk silinder dan air keluar silinder. Energi yang diperoleh dari tahap kedua adalah
20% nya dari tahap pertama.
Gambar 2.3 Turbin Crossflow
Sumber
Air yang masuk sudu diarahkan oleh alat pengarah yang sekaligus berfungsi sebagai
nosel seperti pada turbin pelton. Prinsip perubahan energi adalah sama dengan turbin
impuls pelton yaitu energi kinetik dari pengarah dikenakan pada sudu-sudu pada
tekanan yang sama. Turbin crossflow menggunakan nozle persegi panjang yang
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 sudu yang
dipasang pada sepasang piringan paralel.
Ciri utama tubin impuls adalah tekanan jatuh hanya terjadi pada sudu tetap, dan
tidak terjadi pada sudu berputar. Turbin impuls disebut turbin tak bertekanan karena
sudu gerak beroperasi pada tekanan atmosfer. Banyak turbin air jenis impuls yang
pernah dibuat, namun yang masih banyak ditemukan pada saat sekarang adalah turbin
pelton dengan bentuk bucket yang terbelah ditengah. Posisi poros dapat dibuat tegak
(vertika) atau mendatar (horizontal).
2.5.2 Turbin Reaksi
Pada turbin reaksi, energi yang tersedia pada saluran masuk hanya sebagaian saja
yang dirubah menjadi energi kinetik sedangkan sisanya tetap dalam bentuk energi
tekan. Ketika air mengalir melalui rod gerak/runner terjadi perubahan energi tekan
menjadi energi kinetik secara berangsur-angsur. Tekanan pada sisi masuk roda gerak
lebih tinggi dibandingkan tekanan pada sisi keluar roda gerak turbin, dimana tekanan
tersebut bervariasi terhadap laju aliran fluida yang melalui turbin. Selanjutnya agar
perubahan tekanan ini dapat terjadi, maka roda/runner dalam hal ini harus tertutup
dari udara luar dan seluruhnya terisi air selama turbin beroperasi. Beberapa contoh
dari turbin reaksi adalah turbin fancis,turbin kapla, dan turbin vortex
1. 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
penuh turbin kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi, hal ini dikarenakan sudu-sudu turbin
kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban yang ada.
Gambar 2.4 Turbin Kaplan dengan sudu jalan yang dapat diatur.
Sumber : http://202.90.195.156/bse/smk/smk12%20TeknikMesinIndustri%20Sunyoto.pdz
2. Turbin Francis
Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang diantara
sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian keluar.
Turbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air masuk
secara tangensial. Sudu pengarah pada turbin francis dapat merupakan suatu sudu
pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Untuk
penggunaan pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat
Gambar 2.5 Turbin Francis
Sumbe
3. Turbin Vortex (Pusaran Air)
Turbin vortex merupakan turbin yang memanfaatkan pusaran air sebagai
media perantara energi terhadap sumbu vertikal sehingga terjadi perbedaan tekanan
antara bagian sumbu dan sekelilingnya. Turbin air ini dioperasikan pada daerah yang
memiliki head yang rendah dan memanfaatkan pusaran gravitasi air sehingga akan
menimbulkan perbedaan tekanan air dengan bagian sumbu. Hal ini ditemukan oleh
insinyur Austria Franz Zotloterer ketikan mencoba untuk menemukan cara untuk
Gambar 2.6 Turbin Vortex
Sumber : KonzKl.EmmeRossei_110131[1].doc / WWK Energie GmbH
Ciri utama turbin reaksi pada semua jenis turbin , baik turbin uap, turbin gas dan
turbin air, adalah sebagian dari tekanan jatuh terjadi pada sudu tetap dan sebagian lagi
pada sudu berputar. Persamaan kontinuitas dapat digunakan pada perhitungan aliran
melalui sudu berputar, karena seluruh fluida kerja memenuhi seluruh saluran sudu.
Karena fluda masuk sudu berputar melalui seluruh tepi seksi masuk, maka untuk daya
dan putran yang sama, diameter nominalnya relatif lebih kecil dibandingkan turbin
impuls.
2.6 Klasifikasi Turbin
Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang yang didapatkan dan
pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan untuk tempat dengan
head tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head rendah.
2.6.1 Klasifikasi Berdasarkan Ketinggian Jatuh Air
Pemakaian jenis turbin dibedakan atas ketinggian air jatuh, dimana untuk
ketinggian air jatuh tertentu maka berbeda pula jenis turbin yang digunakan.
Pada tabel berikut dapat dilihat jenis turbin yang digunakan menurut tinggi air
jatuh.
Tabel Klasifikasi Turbin air berdasarkan tinggi jatuh air
Ketinggian Air Jatuh (m)
Jenis Turbin
Tinggi tekan sangat rendah
(<2m)
Turbin Vortex
Tinggi tekan rendah (<15)
Turbin Baling-baling/Kaplan
Tinggi tekan menengah
(16-70)
Turbin Kaplan/Francis
Tinggi tekan sangat tinggi
(>500)
Turbin Pelton
Sumber : M. M. Dhandekar, K. N Sharma, “Pembangkit Listrik Tenaga Air” hal. 394
2.6.2 Klasifikasi Berdasarkan Kecepatan Spesifik Turbin
Kecepatan spesifik (ns), menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak
berhubungan dengan ukurannya. Hal ini menyebabkan desain turbin baru yang diubah
skalanya dari desain yang sudah ada, dengan performa yang sudah diketahui.
Kecepatan spesifik merupakan kriteria utama yang menunjukkan pemilihan jenis
turbin yang tepat berdasarkan karakteristik sumber air.
Kecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan sebagai kecepatan
ideal, persamaan geometris turbin, yang menghasilkan satu satuan daya tiap satu
satuan head. Kecepatan spesifik turbin dapat diartikan sebagai titik efisiensi
maksimum. Perhitungan tepat ini menghasilkan performa turbin dalam jangkauan
head dan debit tertentu.
Kecepatan spesifik juga merupakan titik awal dari analisis desain dari sebuah
turbin baru. Setelah kecepatan spesifik yang diinginkan diketahui, dimensi dasar dari
bagian - bagian turbin dapat dihitung dengan mudah.
Debit yang melalui turbin dikendalikan dengan katub yang besar atau pintu
gerbang yang disusun diluar sekeliling pengarah turbin. Perubahan head dan debit
dapat dilakukan dengan variasi bukaan pintu, akan menujukkan efisiensi turbin
dengan kondisi yang berubah-ubah.
Kecepatan spesifik dapat dihitung dengan menggunakan rumus :
n
s=
n√PtH5/4
Dimana :
n = Putaran turbin (rpm)
H = Tinggi effektif (m)
Pt = Daya turbin
Tabel Klasifikasi berdasarkan putaran spesifik
PENGGERAK
2.6.3 Klasifikasi Berdasarkan Arah Aliran Fluida
Pada tabel berikut dapat dilihat pemakaian jenis turbin berdasarkan arah
alirannya.
Tabel Jenis-jenis turbin berdasarkan arah alirannya
Jenis Turbin Arah Aliran
Francis Radikal atau gabungan
Pelton Tangensial
Kaplan Aksial
Vortex Vertikal
Turbin vortex adalah turbin yang mengubah energi kinetik dari vortex
(pusaran) menjadi torsi. Vortex atau pusaran sendiri didefenisikan sebagai aliran
fluida yang bergerak disepanjang lintasan melengkung atau aliran massa fluida yang
bergerak melingkar.
Gambar 2.7 Aliran Turbin Vortex
Sumber :
Turbin vortex merupakan turbin yang memanfaatkan pusaran air sebagai
media perantara energi terhadap sumbu vertikal sehingga terjadi perbedaan tekanan
antara bagian sumbu dan sekelilingnya. Turbin air ini dioperasikan pada daerah yang
memiliki head yang rendah dan memanfaatkan pusaran gravitasi air sehingga akan
menimbulkan perbedaan tekanan air dengan bagian sumbu. Hal ini ditemukan oleh
insinyur Austria Franz Zotloterer ketika mencoba untuk menemukan cara untuk
mengalirkan air tanpa sumber daya eksternal.
Tanaman pusaran air gravitasi yang dibangun langsung diatas sungai. Tingkat
tinggi air minimal 0.7 m dan maksimum 2 m. Turbin pusaran air gravitasi “teknologi
bersih” spesifikasi karena fakta bahwa 97 % dari produksi listrik bebad CO2. Turbin
air jenis vortex ini baik bagi lingkungan karena tidak menimbulkan ancaman bagi
kehidupan air seperti ikan dan udang, karena merekan dapat melewati hilir rotor dan
hulu. Efesiensi pembersihan peningkatan mikro-organisme alami berkat kadar
oksigen yang lebih tinggi dihasilkan dari aerasi rutin air
Pada tahun 2003, gravitasi air pembangkit listrik pusaran oleh Austria Insinyur
pendirian perusahaan Zotlöterer untuk perencanaan dan konstruksi pembangkit listrik
pusaran air gravitasi. 2005, sebuah pabrik percontohan pertama 7.5 kW tenaga listrik
dan Pembangkit listrik tahunan sekitar 43.000 kWh di Obergrafendorf di Lower
Austria didirikan. Pada tahun 2009 pilot plant dengan gravitasi untuk pembangkit
listrik pusaran air dioptimalkan Turbin Zotlöterer turbin, dan Generator kuat
dilengkapi dimana tenaga listrik untuk bisa meningkat menjadi 10 kW. Diikuti antara
tahun 2007 dan 2010 lainnya Air pembangkit listrik pusaran gravitasi di Indonesia,
Swiss, Irlandia dan di Austria.
2.7.1 Cara Kerja Turbin Vortex
Sistem PLTA pusaran air adalah sebuah teknologi baru yang memanfaatkan
energi yang terkandung dalam pusaran air yang besar dengan diciptakan melalui
perbedaan head rendah di sungai.
Cara kerja turbin Vortex :
1. Air Sungai dari tepi sungai disalurkan dan dibawake tangki sirkulasi. Tangki sirkulasi
ini memiliki suatu lubang lingkaran pada dasarnya.
2. Tekanan rendah pada lubang dasar tangki dan kecepatan air pada titik masuk tangki
sirkulasi mempengaruhi kekuatan aliran vortex.
3. Energi potensial seluruhnya diubah menjadi energy kinetic rotasi diinti vortex yang
selanjutnya diekstraksi melalui turbin sumbu vertikal.
4. Air kemudian kembali kesungai melalui saluran keluar.
Gambar 2.8 Rumah Turbin Vortex
2.7.2 Komponen Utama Turbin Vortex
Komponen utama pada turbin vortex sama dengan turbin-turbin lain hanya
saja turbin vortex lebih mudah dalam pemasangannya dan pemeliharaannya. Turbin
ini kuat dan dibangun untuk terakhir, dengan maksimum rak-hidup 50-100 tahun.
Beberapa bagian diantaranya sebagai berikut : Rumah (casing), Poros, Sudu (Moving
Blades), dan Bantalan (Bearing)
2.7.3 Keunggulan Turbin Vortex
1. Baik dikembangkan pada daerah yang memiliki sumber air dengan debit yang cukup
besar namun hanya memiliki head yang rendah.
2. Tidak memerlukan sistem kontrol yang sangat rumit seperti turbin lainnya.
3. Tekanan air yang terjadi tidak merusak ekologi, dalam hal ini dampak terhadap
kehidupan air (ikan) dan microorganisme lainya tetap terjaga.
4. Tidak membutuhkan draft tube, sehingga dapat mengurangi pengeluaran untuk
penggalian pemasangan draft tube.
5. Memiliki efisiensi yang tinggi, dengan variasi debit yang besar dan sangat baik untuk
debit air yang kecil.
6. Tidak memerlukan jaring- jaring halus sebagai pencegah masuknya puing-puing
kedalam turbin, sehingga dapat mengurangi biaya perawatan.
2.7.4 Pengembangan turbin vortek di Air Sungai
Pengembangan sungai kita dipengaruhi oleh peradaban modern abad ke-20 .
Di daerah padat penduduk sebagian besar sungai diatur dengan rapi. Di masa lalu
sungai berliku-liku alami . Hari ini sungai lurus dan diatur . Sungai-sungai diatur lebih
dalam ke tanah dan pada musim kemarau juga air tanah masuk ke sungai . Dalam hal
regulasi mengukur megurangi kapasitas asimilatif alami sungai . Aerasi dan
Gambar 2.9 Gravitation Water Vortex Power Plants (GWVPPs)
Sumber :
Dengan turbin vortex yang proses pemurnian air alami juga dapat diaktifkan
dalam sungai diatur. Dalam jarak didefinisikan pada turbin sungai dapat ditempatkan
untuk menganginkan air. Semakin banyak tanaman air menghasilkan area
biodegradasi , yang mengurangi zat berbahaya dalam air sungai. Jadi turbin vortex
ekologis lumayan menghasilkan listrik, tanaman air, mikroba dan ikan.
Sebaliknya pembangkit listrik tenaga air konvensional tidak memiliki efek
positif terhadap sungai. Karena tingkat tekanan air besar melewati turbin tidak ada
makhluk air bisa bertahan, tapi turbin vortex adalah sistem hidrolik terbuka tanpa
tingkat tekanan air yang tinggi. Gravitasi Vortex Air ( GWV ) dengan tabung udara
di tengah memungkinkan bahwa banyak udara dapat diserap oleh air. Turbin vortex
adalah modus dasar air mengalir dan menunjukkan proses aerasi alami air di sungai .
Untuk alasan ini kualitas ekologi positif tenaga air dengan turbin vortex
benar-benar berbeda dengan pembangkit listrik tenaga air tradisional, yang menghancurkan
kehidupan di sungai, karena perbedaan besar tingkat tekanan air di sekitar turbin hidro
konvensional .
Pengetahuan ini menunjukkan kepada kita, bahwa sungai-sungai diatur dan
dan ikan - ikan di sungai kita, karena itu turbin vortex merupakan modul penting di
dunia modern kita .
2.7.5 Pengaruh Turbin Vortex pada lingkungan
Turbin air mempunyai pengaruh positif dan negatif bagi lingkungan.
Adapun pengaruh positif yaitu :
1. Turbin adalah salah satu penghasil tenaga terbersih, menggantikan
pembakaran bahan bakar fosil dan menghapuskan limbah nuklir.
2. Turbin menggunakan energi yang dapat diperbarui dan didesain untuk
beroperasi dalam jangka waktu puluhan tahun.
3. Turbin memproduksi sumber energi listrik dunia dengan jumlah yang besar.
Adapun pengaruh negatif dari pembangunan turbin adalah : putaran sudu atau
gerbang pengarah dari turbin air dapat mengganggu ekologi natural sungai,
membunuh ikan, menghentikan migrasi dan menggangu mata pencaharian manusia.
Contohnya: suku Indian Amerika di Northwest Pasific mempunyai mata pencaharian
memancing ikan salmon, tapi pembangunan secara agresif menghancurkan jalan
hidupnya.
Berbeda dengan turbin vortex (pusaran air), bukan saja didorong oleh teknologi
sederhana dan dapat diandalkan. Turbin vortex adalah teknologi bersih karena fakta
bahwa 97% dari produk listrik bebas CO2, dan turbin vortex juga baik bagi
lingkungan air. Kontruksi turbin vortex mengembalikan badan air (misalnya sungai)
dimana turbin dibangun dan kecepatan aliran maksimum 1,5-1,8 m/s, maka turbin
tidak menimbulkan ancaman bagi populasi ikan. Karena ikan mampu melawati hilir
rotor dan hulu (lihat gambar 2.8) . Keuntungan selanjutnya adalah efesiensi pembersih
peningkatan mikro-organisme alami berkat kadar oksigen yang lebih tinggi dihasilkan
Gambar 2.10 Gravitasi Air Pembangkit Listrik Pusaran Sebagai Bio-reaktor
Sumber :
2.8 Aliran vortex
vortex adalah massa fluida yang partikel-partikelnya bergerak berputar
dengan garis arus (streamline) membentuk lingkaran konsentris. Gerakan vortex
berputar disebabkan oleh adanya perbedaan kecepatan antara lapisan fluida yang
berdekatan. Dapat diartikan juga sebagai gerak alamiah fluida yang diakibatkan oleh
parameter kecepatan dan tekanan. Vortex sebagai pusaran yang merupakan efek dari
Gambar 2.11 Aliran Vortex
www.fhnw.ch/technik
Pergerakan aliran fluida dapat dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu:
1. Translasi murni atau translasi irrotasional
2. Rotasi murni atau translasi rotasional
3. Distorsi atau deformasi murni, baik angular ataupun linier
Aliran irrotasional terjadi apabila elemen fluida di setiap titik tidak mempunyai
kecepatan sudut netto terhadap titik tersebut. Sebaliknya aliran rotasional terjadi apabila
elemen fluida mempunyai kecepatan sudut netto. Gerak vortex dapat dikategorikan sebagai
dalam aliran rotasional. Vortex digambarkan sebagai aliran yang bergerak dan berputar
terhadap sumbu vertical sehingga terjadi perbedaan tekanan antara bagian sumbu dan
sekelilingnya
Berdasarkan klasifikasi aliran berputar yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari
maka aliran vortex dapat dibedakan menjadi tiga bagian, yaitu :
2.8.1 Aliran vortex Bebas
Aliran vortex terjadi walaupun tidak adanya gaya yang dilakukan pada fluida
tersebut. Karateristik dari vortex bebas adalah kecepatan tangensial dari partikel fluida
yang berputar pada jarak tertentu dari pusatvortex. Hubungan kecepatan partikel
fluida v terhadap jaraknya dari pusat putaran r dapat dilihat pada persamaan ini:
𝑉 = 𝜏
Dimana:
V = kecepatan tangensial fluida (m s-1)
r = jari-jari putaran partikel fluida dari titik pusat (m)
𝜏 = sirkulasi
2.8.2 Aliran Vortex Paksa
Apabila suatu gaya diberikan pada suatu fluida dengan maksud membuat aliran fluida
berputar. Hubungan kecepatan partikel fluida v terhadap jaraknya dari pusat putaran r dapat
dilihat pada persamaanberikut:
𝑉 =𝑟.𝜔
Dimana:
𝜔 = kecepatan sudut
r = jari-jari putaran (m)
2.8.3 Aliran Vortex Kombinasi
Aliran Vortex Kombinasi adalah vortex dengan vortex paksa pada inti pusatnya dan
distribusi kecepatan yang sesuai dengan vortex bebas pada luar intinya. Jadi untuk sebuah
votex kombinasi dapat dilihat pada persamaan berikut:
Vθ = ωr r ≤ r0
Vθ =𝐾
𝑟 r < r0 Dimana :
K dan 𝜔= konstanta
Sebuah konsep matematika yang biasanya berhubungan dengan gerakan vortex adalah
sirkulasi. Sirkulasi didefenisikan sebagai sebuah integral garis dari komponen tangensial
kecepatan yang diambil dari sekeliling kurva tertutup di medan aliran. Konsep sirkulasi
sering digunakan untuk mengevaluasi gaya-gaya pada terbentuk pada benda-benda yang
terendam dalam fluida yang bergerak.
Gambar 2.12 Tipe-tipe Vortex
Sumber
Tipe vortex 1 merupakan awal aliran air berputar di permukaan. Tipe 2 putaran air
mulai menunjukkan adanya cekungan kedalam di bagian tengah pusaran. Tipe 3 pusaran air
mulai membentuk kolom udara (vortex) yang bergerak menuju oulet. Tipe 4 kekuatan vortex
mampu menarik material apung masuk ke dalam pusaran. Tipe 5 adalah vortex dimana
gelembung-gelembung udara pecah di ujung pusat pusaran yang masuk konstruksi silinder.
Tipe 6 vortex dengan lubang udara penuh menuju outlet.
2.9 Penampang Air
Penampang merupakan saluran yang digunakan mengalirkan air dari
reservoar
atas menuju turbin.
Panjang Penampang air adalah :Ltotal = L1 + L2 + L3
2.10 Lubang masuk (Inlet area)
Ada beberapa tipe dari lubang masuk (Inlet area), yaitu : lubang masuk tipe involute,
lubang masuk tipe ramp dan lubang masuk tipe scroll. Berbagai tipe tersebut dimaksudkan
involute, lubang masuk tipe ramp dan lubang masuk tipe scroll dapat mengurangi efek dari
turbulensi yang terjadi disekitar dinding lubang masuk dan daerah antara lubang masuk.
Gambar 2.13 Beberapa tipe dari lubang masuk (Inlet area)
Sumber
2.11 Pipa Lepas
Pipa lepas adalah saluran penghubung antara sisi keluar turbin dengan muka air
bawah. Umumnya pipa lepas satu meter dimuka air bawah. Dengan demikian head
antara air keluar roda jalan dan muka air bawah dapat dimanfaatkan. Fungsi utama
pipa lepas adalah :
1. Memanfaatkan tinggi air jatuh antara sisi keluar turbin dengan muka air bawah. Air
yang jatuh bebas dari sisi keluar turbin menimbulkan kehampaan dalam pipa lepas.
Kehampaan ini terjadi akibat kecepatan air yang keluar dari roda turbin sangat tinggi
sehingga terjadi tarikan air setinggi jarak antara sisi keluar turbin dan muka air bawah,
ini berlaku untuk rumah turbin yang beradah lebih tinggi dari muka air bawah
2. Mengurangi kerugian energi kinetik. Umumnya kecaepatan air keluar roda jalan
masih dalam kecepatan tinggi. Dengan menggunakan pipa lepas yang mempumyai
penampangan yang semakin besar kearah keluar, maka kecepatan air dapat diperkecil
sehingga energi kinetik dapat dikurangi. Dengan menggunakan pipa lepas ini
effisiensi turbin dapat bertambah.
3. Turbin dapat dipasang diatas muka air bawah sehingga turbin dapat diperiksa dan
2.12 Kavitasi
Kavitasi adalah suatu peristiwa terjadinya gelembung-gelembung uap didalam cairan
(air) yang mengalir apabila tekanan di tempat tersebut sama dengan tekanan uapnya.
Gelembung tersebut akan terbawa arus. apabila gelembung tersebut kemudian sampai
disuatu daerah dimana tekanannya melebihi tekanan uapnya, maka gelembung
tersebut akan pecah dengan tiba-tiba. Pecahnya gelembung-gelembung tersebut bukan
saja menimbulkan bunyi berisik dan getaran, tetapi dapat menyebabkan
lubang-lubang kikisan pada permukaan atau bagian turbin, misalnya pada permukaan
sudu-sudu, rumah turbin dan dinding bagian atas isap, kavitasi yang berlebihan dapat pula
mengurangi daya dan efisiensi turbin yang bersangkutan, oleh karena itu diusahakan
agar tidak terjadi kavitasi.kavitasi dapat dicegah atau dikurangi dengan jalan antara
lain :
1. Memperkecil jarak vertikal antara roda turbin dan permukaan air bawah (memperkecil
tinggi isap), dalam hal ini diusahakan tekanan air tidak lebih rendah dari tekanan
uapnya.
2. Memperkecil konstruksi dan mengusahakan agar tidak terdapat belokan-belokan atau
bentuk-bentuk yang tajam
3. Menggunakan material yang kuat terutama untuk bagian-bagian di mana diperkirakan
