BAB II TINJAUAN PUSTAKA

(1)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk tenaga industri untuk jaringan listrik. Sekarang lebih umum dipakai untuk generator listrik. Turbin kini dimanfaatkan secara luas dan merupakan sumber energi yang dapat diperbaharukan.

Kincir air 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.

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 awal 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 impulse yang tidak membutuhkan putaran air).

Turbin – turbin hidraulik berfungsi mengubah energi air menjadi energi kinetic, kemudian energi kinetic akan diubah menjadi energi listrik oleh generator. Hal ini menyebabkan setiap pembahasan tentang turbin hidraulik akan mengikutsertakan generator sebagai pembangkit listrik.

(2)

Air mengalir melalui turbin akan memberikan tenaga pada penggerak (runner) turbin dan membuat runner itu berputar. Poros dari penggerak turbin berhubungan dengan poros generator sehingga energi kinetic turbin menjadi input bagi generator dan diubah menjadi energi listrik. Jadi turbin – turbin hidraulik menempati kunci dalam bidang teknik hidraulik dan memberikan kontribusi yang besar dari seluruh biaya proyek, terutama untuk PLTA skala besar.

2.1 Tenaga air

Tenaga air merupakan sumber daya energi yang penting setelah tenaga uap atau panas. Hampir 30% dari seluruh kebutuhan tenaga di dunia dipenuhi oleh pusat – pusat listrik tenaga air. Banyak Negara yang hampir seluruh kebutuhan energinya berasal dari tenaga air. Penggunssn tenaga air sebagai sumber energi, terutama untuk pembangkit tenaga listrik, memiliki kelebihan dibanding sumber energi lainnya.

2.2 Sejarah Turbin

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 simpel 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 kedalam. Pada tahun 1826, Benoit Fourneyon mengembangkan turbin aliran keluar. Turbin ini sangan efisien (~80%) yang mengalirkan air melalui saluran dengan sudu lengkung satu dimensi. Saluran keluaran juga mempunyai lengkungan pengarah. Pada tahun 1844, Uriah A. Boyden mengembangkan turbin aliran keluar yang meningkatkan performa dari turbin Fourneyon.

(3)

Bentuk sudunya mirip dengan turbin Francis. Pada tahun 1849, James B. Francis meningkatkan efisiensi turbin reaksi aliran kedalam hingga lebih dari 90%. Dia memberikan test yang memuaskan dan mengembangkan metode engineering untuk desain turbin air. 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 kedalam mempunyai susunan mekanis yang lebih baik dan semua turbin reaksi modern menggunakan desain ini. Putaran massa air berputar hingga putaran yang semakin cepat, air berusaha menambah kecepatan untuk membangkitkan energi. Energi tadi 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 umumnya semua turbin air hingga akhir abad 19 (termasuk kincir air) merupakan mesin reaksi; tekanan air yang berperan pada mesin dan menghasilkan kerja. Sebuah turbin reaksi membutuhkan air yang penuh dalam proses transfer energi.

Pada tahun 1866, tukang pembuat gilingan di California, Samuel Knight menemukan sebuah mesin yang mengerjakan tuntas sebuah konsep yang berbeda jauh. Terinspirasi dari system jet tekanan tinggi yang digunakan dalam lapangan pengeboran emas hidrolik, Knight mengembangkan ceruk kincir yang dapat menangkap energi dari semburan jet, yang ditimbulkan dari energi kinetik air pada sumber yang cukup tinggi (ratusan kaki) yang dialirkan melalui sebuah pipa saluran. Turbin ini disebut turbin impulse atau turbin

(4)

tangensial. Aliran air mendorong ceruk disekeliling kincir turbin pada kecepatan maksimum dan jatuh keluar sudu dengan tanpa kecepatan.

Pada tahun 1879, Lester Pelton, melakukan percobaan dengan kincir Knight, dikembangkanlah desain ceruk ganda yang membuang air kesamping, menghilangkan beberapa energi yang hilang pada kincir Knight yang membuang sebagian air kembali melawan kincir. Sekitar tahun 1895, William Doble mengembangkan ceruk setengah silinder milik Pelton menjadi ceruk berbentuk bulat memanjang, termasuk sebuah potongan didalamnya yang memungkinkan semburan untuk membersihkan masukan ceruk. Turbin ini merupakan bentuk modern dari turbin Pelton yang saat ini dapat memberikan efisiensi hingga 92%. Pelton telah memprakarsai desain yang efektif, kemudian Doble mengambil alih perusahaan Pelton dan tidak mengganti namanya menjadi Doble karena nama Pelton sudah dikenal. Turgo dan turbin aliran silang merupakan desain turbin impulse selanjutnya.

Turbin air terdapat dalam suatu pembangkit listrik berfungsi untuk mengubah energi potensial yang dimiliki air menjadi energi kinetic. Selanjutnya energi kinetic ini akan dirubah menjadi energi elektrik melalui generator. Hal ini menyebabkan setiap pembahasan tentang turbin hidrolik akan mengikutsertakan generator sebagai pembangkit listrik.

Turbin hidraulik adalah suatu alat yang dapat menghasilkan torsi sebagai akibat gaya dinamik dan gaya tekan air, turbin hidraulik ini dapat dikelompokan menjadi dua tipe, yaitu :

1. Turbin Impuls (impuls turbine) adalah turbin yang memanfaatkan energi kinetic dari pancaran air yang berkecepatan tinggi untuk diubah menjadi energi gerak.

2. Turbin Reaksi (reaction turbine) adalah turbin yang mengkombinasikan energi potensial tekan dan kinetic untuk menghasilkan energi gerak.

(5)

Turbin impuls merubah aliran semburan air. Semburan turbin membentuk sudut yang membuat aliran turbin. Hasil perubahan momentum (impuls) disebabkan tekanan pada sudu turbin. Sejak turbin berputar, gaya berputar melalui kerja dan mengalihkan aliran air dengan mengurangi energi. Sebelum mengenai sudu turbin, tekanan air (energi potensial) dikonversi menjadi energi kinetik oleh sebuah nosel dan difokuskan pada turbin. Tidak ada tekanan yang dirubah pada sudu turbin, dan turbin tidak memerlukan rumahan untuk operasinya. Hukum kedua Newton menggambarkan transfer energi untuk turbin impuls. Turbin impuls paling sering digunakan pada aplikasi turbin tekanan sangat tinggi. Adapun jenis – jenis turbin impuls adalah sebagai berikut :

1. Turbin Pelton

Salah satu turbin impuls yang dipergunakan adalah roda Pelton (Pelton Wheel) yang pertama kali dibuat oleh Lester Pelton. Energi potensial aliran air dari penampungan saat melalui pipa penstock diubah menjadi energi kinetic dalam pancaran air dengan sudu penggerak impuls, baik tunggal maupun ganda. Pancaran air mengenai sudu gerak dengan arah tangensial sehingga membentuk jejak melingkar sepanjang diameter sudu dan tekanan atmosfer.

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.

(6)

Sumber:http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf

Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah-tengah sudu dan pancaran 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.

Gambar 2.2 Turbin Pelton dengan banyak nozle.

Sumber.http://en.wikipedia.org/wiki/pelton_wheel

Turbin Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150 meter tetapi untuk skala mikro head 20 meter sudah mencukupi.

Secara ringkas mengenai turbin impuls, dapat dilihat pada gambar berikut :

(7)

Pancaran air yang mengenai sudu penggerak (runner) diatur dengan menggunakan pipa jarum berbentuk gelembung (buble shape) dalam nozzle kedudukan atau posisi dari pancaran air yang mengenai runner turbin akan sangat berpengaruh dalam menghasilkan energi kinetic turbin. Turbin impuls biasanya digunakan untuk PLTA dengan head yang lebih besar dari 200 meter.

2. Turbin Turgo

Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozle membentur sudu pada sudut 20o_{. Kecepatan putar turbin turgo lebih besar dari turbin Pelton. Akibatnya}

dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan.

Gambar 2.4 Sudu turbin turgo dan nozzle. Sumber:http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf

3. Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow (Turbin Michell-Banki)

Tipe turbin impuls lainnya dalah turbin cross flow (Stapenhorst, 1978) yang biasa disebut sebagai turbin banki atau turbin Mitchell. Turbin ini akan di bahas lebih lanjut.

(8)

2.2.2 Turbin Reaksi (Reaction Turbine)

Turbin reaksi digerakkan dengan air, yang merubah tekanan sehingga melewati turbin dan menaikkan energi. Turbin reaksi harus menutup untuk mengisi tekanan air (pengisap) atau mereka harus sepenuhnya terendam dalam aliran air. Hukum ketiga Newton menggambarkan transfer energi untuk turbin reaksi. Turbin air yang paling banyak digunakan adalah turbin reaksi. Turbin reaksi digunakan untuk aplikasi turbin dengan head rendah dan medium.

Dalam pengoperasian turbin reaksi, ruang penggerak dan draft tube penuh dengan air. Hal ini dimaksudkan untuk memperoleh tinggi hidraulik yang besar.

Gambar berikut memperlihatkan skema dari turbin reaksi.

(9)

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. Proses ekspansi fluida kerja pada turbin reaksi terjadi pada sudu tetap dan sudu geraknya. Air mengalir memasuki roda turbin melalui sudu - sudu pengarah dengan tekanan yang tinggi. Pada saat air yang bertekanan tersebut mengalir kesekeliling sudu - sudu, runner turbin akan berputar penuh. Energi yang ada pada air akan berkurang ketika meninggalkan sudu. Energi yang hilang tersebut telah diubah menjadi energi mekanis oleh roda turbin. Dilihat dari konstruksinya, turbin reaksi ada dua jenis:

1. 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 diatur merupakan pilihan yang tepat.

(10)

Gambar 2.6 Turbin Francis

Sumber.http://en.wikipedia.org/wiki/francis_turbine

2. 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 listrk 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.

(11)

Gambar 2.7 Turbin Kaplan dengan sudu jalan yang dapat diatur. Sumber :http://202.90.195.156/bse/smk/smk12%20TeknikMesinIndustri%20Sunyoto.pdf Turbin Air Turbin impuls Turbin reaksi Turbin pelton Turbin turgo Turbin ossberger Turbin francis Turbin kaplan

(12)

Gambar 2.8 Diagram klasifikasi turbin air.

2.3 Perbandingan Karakteristik Turbin

Perbandingan karakteristik turbin dapat kita lihat pada grafik head (m) vs flow (m3_{/s) di}

bawah ini.

Gambar 2.9 Perbandingan karakteristik Turbin. Sumber :http://202.90.195.156/bse/smk/smk12%20TeknikMesinIndustri%20Sunyoto.pdf

Dapat dilihat pada grafik 2.1 turbin kaplan adalah turbin yang beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi atau bahkan beroperasi pada kapasitas yang sangat rendah. Hal ini karena sudu – sudu turbin kaplan dapat diatur secara manual atau otomatis untuk merspon perubahan kapasitas.

Berkebalikan dengan turbin kaplan, turbin pelton adalah turbin yang beroperasi pada head tinggi dengan kapasitas yang rendah. Untuk turbin francis mempunyai karakteristik

(13)

yang berbeda dengan yang lainnya yaitu turbin francis dapat beroperasi pada head yang rendah atau beroperasi pada head yang tinggi.

Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang didapatkan dan kurang lebih pada rata-rata alirannya. 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 kecil (umumnya dibawah 10 MW) mempunyai poros horisontal, dan kadang dipakai juga pada kapasitas turbin mencapai 100 MW. 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. Beberapa turbin impuls menggunakan beberapa semburan air tiap semburan untuk meningkatkan kecepatan spesifik dan keseimbangan gaya poros.

Aplikasi penggunaan turbin berdasarkan tinggi head yang didapatkan adalah sebagai berikut ini :

1) Turbin Kaplan : 2 < H < 100 meter 2) Turbin Francis : 5 < H < 500 meter 3) Turbin Pelton : H < 30 meter 4) Turbin Banki : 2 < H < 200 meter

2.4 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

(14)

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.

Keluaran turbin dapat diperkirakan berdasarkan dari test permodelan. Replika miniatur dari desain yang diusulkan, diameter sekitar satu kaki (0,3 m), dapat diuji dan hasil pengukuran laboratorium dapat digunakan sebagai kesimpulan dengan tingkat keakuratan yang tinggi.

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 :

4 3 . 65 , 3 H Q n n t s 

Dengan : nt= putaran turbin (rpm)

Q = kapasitas aliran (m3_/s)

H = tinggi air jatuh (m)

(15)

Perbandingan bentuk sudu turbin terhadap kecepatan spesifik turbin adalah sebagai berikut ini :

Gambar 2.10 Perbandingan bentuk sudu turbin berdasarkan kecepatan spesifik. Sumber : European Community's Layman's Guidebook (on how to develop a small hydro site)

Berdasarkan gambar 2.9, semakin tinggi nsmaka bentuk sudu turbin akan semakin kecil dan

tinggi head semakin rendah

2.5 Turbin Air Cross - Flow

Turbin tipe ini dibuat pertama kali di Eropa. Nama cross flow diambil dari kenyataan bahwa air melintasi kedua sudu gerak atau runner dalam menghasilkan putaran (rotasi). Sedangkan nama Banki (dari Hungaria) dan Mitchell (dari Austria) adalah nama ahli teknik yang mengembangkan prinsip – prinsip turbin tersebut serta perhitungannya. Turbin cross flow ini mempunyai arah aliran yang radial atau tegak lurus dengan sumbu turbin.

Turbin air cross flow adalah sebuah turbin air radial dimana aliran air masuk dan keluar rotor melalui lingkaran peripheral rotor yang sama. Turbin air cross flow pertama kali

(16)

Penemuan turbin ini sangat didasarkan pada usaha untuk mencari jenis turbin baru yang lebih kecil, sederhana dan lebih murah dibandingkan dengan jenis turbin yang lainnya. Sebagai hasilnya, turbin air cross flow yang hanya memerlukan proses pembuatan yang sederhana, sepertinya dapat memenuhi kita, meskipun belum ada pembangkit daya yang besar yang perna dibangun dengan menggunakan turbin jenis ini. Turbin air cross flow sangat terkenal untuk pembangkit daya ukuran kecil hingga sedang. Untuk jangkauan daya yang dapat dihasilkan, turbin air cross flow telah dapat menggantikan tempat mesin konversi daya air yang lain, seperti kincir air yang sederhana sampai turbin impuls dan reaksi yang rumit pembuatannya.

Meskipun turbin air cross flow telah dipergunakan secara luas diseluruh dunia selama ini, teori dasar yang terperinci, khususnya yang melibatkan aliran didalamnya, terlihat belum dikembangkan secara baik hingga saat ini. Suatu perbedaan yang kontras dibandingkan dengan upaya yang sama untuk turbin jenis lain.

Turbin air cross flow yang selama ini dibuat termasuk jenis turbin air impuls – radial. Turbin ini aliran air masuk ke turbin melalui sebuah pipa pencar dengan penampang segi empat. Aliran melewati sudu gerak turbin sebanyak duta kali dengan arah relative tegak lurus poros turbin. Dalam hal ini tidak ada aliran arah aksial, sehingga tidak terdapat gaya – gaya yang bekerja dalam arah poros turbin.

Air masuk roda gerak turbin ke sudu gerak tingkat pertama dari arah luar roda menuju kearah tegak lurus poros, kemudian aliran air melalui bagian tengah roda gerak yang kosong dan airnya akan mengenai sudu gerak untuk kedua kalinya dan kemudian keluar turbin. Diantara tingkat pertama dan tingkat kedua aliran membentuk jet pada daerah terbuka dengan tekanan yang sama dengan tekanan atmosfer. Aliran yang terjadi secara fisik harus memenuhi prinsip kekekalan massa.

(17)

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 10 litres/sec hingga 10000 litres/sec dan head antara 1 s/d 200 m. Komponen – komponen utama konstruksi turbin crossflow adalah sebagai berikut :

1. Rumah Turbin

2. Alat Pengarah (distributor) 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.

(18)

Gambar 2.11 Konstruksi turbin ossberger atau turbin crossflow.

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 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 sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel.

Gambar 2.12 Aliran masuk turbin ossberger atau turbin crossflow.

Turbin aliran silang yang pertama disebut turbin banki, ini berbentuk skripsi yaitu tahun 1949 oleh State University di Oregon. Sedangkan publikasi mengenai rancangan bangunan baru dimulai tahun 1967 oleh suatu badan yang diberi nama VITA. Namun demikian, jauh sebelumnya turbin jenis ini telah diproduksi oleh suatu pabrik yakni Ossberger di Jerman. Konstruksi Turbin Ossberger mirip dengan separuh pompa keong. Disini air masuk menuju roda turbin vertical terhadap lantai pondasi. Menurut propagadis

(19)

turbin ini bereffisiensi 74% - 84% dan menjamin operasinya 80%. Apabila diperhatikan dengan cermat bagian – bagian dan rakitan turbinnya masih terlalu rumit untuk memperoleh daya yang kecil.

Turbin aliran silang ini akhirnya lebih akrab kepada masyarakat pedesaan dengan segala aspek kesederhanaannya. Hal ini telah dibuktikan oleh beberapa badan kerja sama SKAT – Switzerland/BYS Nepal, GATE Jerman/BEW – Nepal, GATE Jerman/CITA Equador dan ATD – Pakistan, semenjak tahun 1975 lebih dari 500 unit telah dipasang dinegara ketiga tersebut.

Turbin aliran silang yang direncanakan ini dirancang dengan menggunakan rumah turbin yang sedemikian rupa dalam bentuk yang sederhana sehingga mudah diangkut dan dipasang. Pada turbin ini digunakan sebuah katup (valve) yang berbentuk khusus yang berfungsi untuk mengatur arah dan kapasitas aliran air. Menurut arah aliran airnya turbin ini dapat dibedakan atas dua jenis yaitu :

1) Turbin aliran silang jenis vertical

Dimana air dialirkan melaului pipa pesat dengan posisi vertical terhadap rumah turbin dan mendorong karangan sudu hingga roda jalan turbin berputar dan ini berlangsung secara kontinu.

Gambar 2.13 Turbin Aliran Silang Jenis Vertical. 2) Turbin aliran silang jenis horizontal

(20)

Gambar 2.14 Turbin Aliran Silang Jenis Horizontal

Studi yang mendalam terhadap pembangkit tenaga jenis cross flow untuk PLTA skala kecil belum banyak dilakukan orang, karena tipe ini dianggap sederhana dan effisiensi nya relatif rendah. Penelitian pada akhir – akhir ini dilakukan terhadap pembangkit listrik yang berskala besar, mengingat secara ekonomi makro, pembangkit listrik besarlah yang dianggap sangat menguntungkan untuk dikembangkan. Tetapi bila kita berbicara kemampuan masyarakat dalam keikutsertaan mengumpulkan air dari sumber tenaga yang tersebar di jaringan irigasi dan sungai – sungai kecil di Indonesia, maka justru kita harus mengembangkan tipe cross flow itu agar dapat dimanfaatkan oleh masyarakat yang terbatas pengetahuan dan teknologinya. Tipe cross flow ini sudah jelas kesederhanaannya dan dapat diproduksi oleh bengkel – bengkel biasa yang ada dimasyarakat.

Masalahnya dalam mendisain atau mendimensi tipe cross flow ini perlu ada pedoman petunjuk, panduan dan bahkan spesifikasi jenis – jenis tertentu yang telah diketahui perilakunya yang berkaitan dengan :

1. Kesedian debit dan tinggi muka air di suatu lokasi tertentu, untuk mengetahui ketersediaan air pada suatu daerah aliran baik untuk tujuan khusus seperti pembuatan bendungan untuk keperluan pembangkit tenaga listrik atau untuk keperluan irigasi maupun untuk tujuan yang lebih umum seperti pembuatan masterplan konservasi sumberdaya air, perkiraan tentang ketersediaan air

(21)

amatlah penting. Oleh karena itu masalah data – data topografi dari suatu sungai yang berkesinambungan harus dimiliki.

Disamping itu cara lain untuk merencanakan PLTA skala kecil perlu diketahui ketersedian air yang ada agar PLTA tersebut dapat berfungsi terus menerus sepanjang waktu, serta lokasi penempatan turbin agar sesuai dengan yang direncanakan sehingga didapat debit serta tinggi muka air yang memadai. Ketersediaan air di sungai dalam jangka waktu yang panjang dapat diperkirakan dengan mengadakan pegamatan taraf muka air pada beberapa lokasi pengamatan. Dengan demikian debit pada sungai tersebut akan dipergunakan untuk menggerakan turbin.

2. Daya yang dapat dihasilkan

Berdasarkan debit yang ada pada PLTA tersebut akan menghasilkan daya dengan menggunakan rumus :

P = QgH Dimana :

P = Daya (kW)

 = Massa jenis air (kg/m3₎ Q = Debit (m3/s)

g = Percepatan gravitasi (m/s2)

H= Perbedaan ketinggian (m)  = efisiensi

3. Pembangkit listrik atau dinamo

Pembangkit listrik atau dinamo ini diusahakan yang mudah diperoleh di pasar atau yang dapat dibuat lokal

(22)

Ukuran dan bentuk detail turbin dibuat agar mudah di desain dan dipasang dilapangan

5. Efisiensi turbin

Efisiensi turbin di dapat dari membandingkan output dan input yang terpakai 6. Pengoperasian dan Pemeliharaan

Pengoperasian dan pemeliharaan PLTA skala kecil ini mampu dilakukan oleh tenaga/ teknisi menegah

2.6 Klasifikasi Pembangkit Listrik Tenaga Air

Klasifikasi pembangkit listrik tenaga air ini dapat digolongkan berbagai kriteria, antara lain :

2.6.1 Berdasarkan Keadaan Lokasi dan Topografi

Berdasarkan lokasi topografi, pemilihan instalasi untuk pembangkit listrik tenaga air yang berlokasi didaerah pedalaman atau dipegunungan akan sangat berbeda dengan instalasi pembangkit listrik didaerah dataran rendah. Misalnya bangunan utamanya, untuk daerah pegunungan bangunan utama yang biasanya bendungan atau dam, sedangkan untuk daerah dataran rendah cukup dengan bendungan biasa. Selain itu jaringan transmisinya di daerah pegunungan akan memerlukan jaringan transmisi yang sangat panjang untuk disalurkan ke konsumen sedang untuk dataran rendah relatif dekat dengan daerah pemungkiman. Oleh karena itu pengetahuan tentang lokasi dan topografi untuk suatu PLTA sangat penting dalam perencanaan.

(23)

Klasifikasi berdasarkan keadaan hidraulik adalah pengelompokkan yang ditinjau dari aliran air yang digunakan untuk menggerakkan turbin. Berdasarkan hal tersebut pengelompokkan dapat dibagi atas :

a. Pembangkit listrik tenaga air konvensional, adalah pembangkit listrik yang menggunakan tenaga air secara gravitasi yang diperoleh dengan memanfaatkan aliran air sungai.

b. Pembangkit listrik tenaga pompa, adalah pembangkit listrik yang memanfaatkan putaran air dengan menggunakan pompa yang dilakukan pada saat pemakaian listrik tidak terlalu tinggi, sehingga tenaga listrik yang tidak terpakai dapat digerakan untuk menggerakkan pompa.

c. Pembangkit listrik tenaga pasang surut, adalah pembangkit listrik yang memanfaatkan aliran air laut akibat adanya pasang surut.

2.6.3 Klasifikasi berdasarkan Bangunan Utama (Patty.G.F)

Pengelompokkan ini berdasarkan pada lokasi bangunan atau konstruksi utama dari bangunan pembangkit listrik tenaga air, yang terbagi atas :

a. Pembangkit pada aliran sungai. Pembangkit untuk kelompok ini harus menjamin kondisi pengaliran sungai tetap lancar dan aliran sungai tidak terganggu oleh konstruksi pembangkit tenaga listrik. Biasanya kelompok ini adalah pembangkit listrik dengan tinggi tekan air yang rendah.

b. Pembangkit listrik dengan bendungan di lembah. Dalam kelompok ini bendungan merupakan bangunan utama untuk kolam penampung air (reservoir), sehingga dihasilkan tinggi tekan air untuk pembangkit listrik, pada kelompok ini termasuk pembangkit listrik dengan tinggi air menegah dan tinggi.

(24)

c. Pembangkit listrik pada sudetan. Kelompok ini memperoleh air dengan cara mengalihkan aliran air sungai melalui sebuah atau lebih saluran pengalih atau sudetan menuju bangunan pembangkit listrik yang berada didekat kolam penampung. Biasanya kelompok ini digunakan untuk pembangkit dengan tinggi tekan air rendah atau menegah.

d. Pembangkit listrik dengan mengambil ketinggian dari sungai lain. Pembangkit listrik untuk kelompok ini diperoleh jika tekan air yang dialirkan melalui sebuah sistem terowongan menuju sungai lain atau kolam yang lebih rendah yang kemudian digunakan untuk pembangkit listrik tenaga air.

2.6.4 Klasifikasi Berdasarkan Tinggi Tekan

Berdasarkan tinggi tekan air yang diperoleh untuk pembangkit tenaga listrik dikelompokkan sebagai berikut :

Klasifikasi menurut Mosonyi :

a. Tinggi tekan air kecil, besar tinggi tekan < 15 m

b. Tinggi tekan air menengah, besar tinggi tekan 15 - 50 m c. Tinggi tekan air tinggi, besar tinggi tekan > 50 m Klasifikasi menurut PLN :

a. Tinggi tekan air kecil, besar tinggi tekan < 15 m

b. Tinggi tekan air menengah, besar tinggi tekan 15 - 50 m c. Tinggi tekan air tinggi, besar tinggi tekan > 50 m Klasifikasi menurut M.M.Dandkear dan K.N. Sharma :

a. Tinggi tekan air rendah, besar tinggi tekan < 15 m b. Tinggi tekan air menengah, besar tinggi tekan 15 - 70 m c. Tinggi tekan air tinggi, besar tinggi tekan > 71 - 250 m d. Tinggi tekan air sangat tinggi, besar tinggi tekan > 250 m

(25)

2.6.5 Klasifikasi berdasarkan Kapasitas Pembangkit

Berdasarkan besarnya kapasitas yang dihasilkan dari pembangkit tenaga listrik, dapat dikelompokkan sebagai berikut :

Klasifikasi menurut Mosonyi :

a. Kapasitas kecil, dengan output < 100 kW

b. Kapasitas rendah, dengan output 100 – 1000 kW c. Kapasitas menegah, dengan output 1001 - 10.000 kW d. Kapasitas tinggi, dengan output > 10.000 kW

Klasifikasi menurut M.M.Dandkear dan K.N. Sharma : a. Kapasitas kecil, dengan output < 5 MW b. Kapasitas rendah, dengan output 5 – 100 MW c. Kapasitas menegah, dengan output 101 - 1000 MW d. Kapasitas tinggi, dengan output > 1000 MW

Klasifikasi menurut SCAT (Swiss centre of Appropriete Technology) : a. Kapasitas mikro, dengan output < 100 kW

b. Kapasitas mini, dengan output 101 – 500 kW c. Kapasitas kecil, dengan output 501 - 1000 kW d. Kapasitas besar, dengan output > 1.000 kW

2.7 Head Loses

Perubahan tekanan dalam aliran fluida terjadi karena adanya perubahan ketinggian, perubahan kecepatan akibat perubahan penampang dan gesekan fluida. Pada aliran tanpa gesekan perubahan tekanan dapat dianalisa dengan persamaan Bernoulli yang

(26)

kecepatan. Sehingga perhatian utama dalam menganalisa kondisi aliran nyata adalah pengaruh dari gesekan. Gesekan akan menimbulkan penurunan tekanan atau kehilangan tekanan dibandingkan dengan aliran tanpa gesekan. Berdasarkan lokasi timbulnya kehilangan, secara umum kehilangan tekanan akibat gesekan atau kerugian ini dapat digolongkan menjadi 2 yaitu: kerugian mayor dan kerugian minor.

Kerugian mayor adalah kehilangan tekanan akibat gesekan aliran fluida pada sistem aliran penampang tetap atau konstan. Kerugian mayor ini terjadi pada sebagian besar penampang sistem aliran makanya dipergunakan istilah ‘mayor‘. Sedangkan kerugian minor adalah kehilangan tekanan akibat gesekan yang terjadi pada katup-katup, sambungan T, sambungan L dan pada penampang yang tidak konstan. Kerugian minor meliputi sebagian kecil penampang sistem aliran, sehingga dipergunakan istilah ‘minor’. Kerugian ini untuk selanjutnya akan disebutkan sebagai head loss.

Istilah Head Loss muncul sejak diawalinya percobaan-percobaan hidrolika abad ke sembilan belas, yang sama dengan energi persatuan berat fluida. Namun perlu diingat bahwa arti fisik dari head loss adalah kehilangan energi mekanik persatuan massa fluida. Sehingga satuan head loss adalah satuan panjang yang setara dengan satu satuan energi yang dibutuhkan untuk memindahkan satu satuan massa fluida setinggi satu satuan panjang yang bersesuaian.

Untuk menentukan factor gesekan ( f ) dapat diperoleh dari diagram moody dengan terlebih dahulu mengetahui bilangan Reynold ( Re dimana:



Vd  Re Dengan: Re = Reynold number

(27)

 = Viskositas kinematik, dimana harganya 1.02 x 10-6 m2/s untuk tekanan 1 atm pada suhu 200_C

V = kecepatan aliran masuk pipa (m/s) D = Diameter pipa (m)

2.7.1 Head Loses Mayor

Dengan mempergunakan persamaan keseimbangan energi dan asumsi aliran berkembang penuh (fully developed) sehingga koefisien energi kinetik ₁ = ₂ dan penampang konstan maka :





p p _{g z} _z _h l 1 2 2 1      di mana :

hl: head loss mayor

Jika pipa horisontal, maka z2 = z1, maka :

p p _h

l 1 2 _

 atau p / = hl

Jadi head loss mayor dapat dinyatakan sebagai kerugian tekanan aliran fluida berkembang penuh melalui pipa penampang konstan.

Untuk aliran laminer , berkembang penuh, pada pipa horisontal, penurunan tekanan dapat dihitung secara analitis, diperoleh :

(28)

D V D L D D LV D LQ p128_₄ 128 _(₄ 2/4) 32   dimana :

: kekentalan atau viskositas fluida

sehingga dengan memasukkan konsep angka Reynold maka head loss menjadi :

2 Re 64 64 2 32 2 V2 D L VD V D L D V D L hlmayor                   

Untuk aliran turbulen, penurunan tekanan tidak dapat dihitung secara analitis karena pengaruh turbulensi yang menimbulkan perubahan keacakan sifat fluida. Perubahan sifat fluida yang acak tersebut belum dapat didekati dengan fungsi matematis yang ada saat ini. Perhitungan head loss didasarkan pada hasil percobaan dan analisa dimensi. Penurunan tekanan untuk aliran turbulen adalah fungsi dari angka Reynold, Re, perbandingan panjang dan diameter pipa, L/D serta kekasaran relatif pipa, e/D.

Head loss mayor dihitung dari persamaan Darcy-Weisbach : g V D L f hlmayor 2 2  dimana : f = Koefisien gesekan L = Panjang pipa (m) D = Diameter pipa (m)

V = Kecepatan aliran masuk pipa (m/s) g = Percepatan Gravitasi (m/s2₎

(29)

Dengan menggunakan hasil percobaan dari L.F. Moody yang memperkenalkan Diagram Moody, yaitu diagram koefisien gesek fungsi angka Reynold dan kekasaran relatif pipa. Diagram Moody ditampilkan pada Lampiran. Nilai kekasaran relatif pipa merupakan fungsi diameter pipa dan bahan pipa dapat ditentukan secara empiris dari grafik pada tabel

Tabel 2.1 Kekasaran relatif ( e ) dalam berbagai bahan pipa

Pipeline Material

Absolute roughness, e

ft mm

Glass and various plastics ( e.g.,PVC and PE pipes

Drawn turbings (e.g., copper or aluminum pipes or turbings

Commercial steel or wrought iron Cast iron with asphalt lining Galvanized iron Cast Iron Wood stave Concrete Riveted steel 0 (hydraulically smooth ) 5 x 10-6 1.5 x 10-4 4 x 10-4 5 x 10-4 8.5 x10-4 6 x 10-4_{-3 x 10}-3 1 x 10-3_{-1 x 10}-2 3 x 10-3_{-3 x 10}-2 0 (hydraulically smooth 1.5 x 10-3 4.6 x 10-2 0.12 0.15 0.25 0.18-0.9 0.3-3.0 0.9-9.0

Pump Handbook, Igor J. Karasik, William C.Krutzsc, Waren H. Frase, Joseph Messina

untuk aliran laminer nilai koefisien gesek hanya fungsi angka Reynold, tidak dipengaruhi oleh kekasaran permukaan pipa. Namun dengan semakin tingginya angka Reynold koefisien gesekan hanya merupakan fungsi dari kekasaran relatif saja. Pada kondisi ini medan aliran dikatakan mencapai kekasaran penuh.

Mengingat perhitungan head loss adalah perhitungan yang cukup panjang dan kenyataan aplikasi program komputer telah digunakan pada perencanaan suatu sistem perpipaan maka dibutuhkan persamaan matematika untuk menentukan koefisien gesek

(30)

Blasius yang dapat digunakan pada aliran turbulen, pipa halus dengan angka Reynold, Re < 105 _{yaitu :}

f  0 3164, _{0 25} Re ,

2.7.2 Head Loses Minor

Besarnya kerugian akibat adanya kelengkapan pipa dapat diperoleh dengan persamaan:

g V nK hl or 2 2 min 



Dimana:

hLminor = Kerugian head akibat kelengkapan pipa sepanjang jalur pipa isap

n = Jumlah kelengkapan pipa

K = Koefisien kerugian akibat kelengkapan pipa

Koefisien k dapat ditentukan melalui table koefisien kerugian minor di lampiran. Head loses total di dapat dari :

HLtotal= hL mayor+ hLminor

Head Turbin didapat dari pengurangan Head Statis turbin terhadap Head loses total, HTotal= H - HLtotal

(31)

Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya head dan debit air. Head adalah beda ketinggian antara muka air pada tempat penampungan atas dengan poros turbin air.

Total energi yang tersedia dari tempat penampungan atas adalah merupakan energi potensial air yaitu :

mgh

E



dengan m = Massa air (kg) h = Head turbin(m) g = Percepatan gravitasi (m/s2₎

Daya merupakan energi tiap satuan waktu













t

E

, sehingga persamaan diatas dapat dinyatakan sebagai :

gh t m t

E _ _{Dengan mensubsitusikan P terhadap}

_











t

E

_{dan mensubsitusikan}

_

_Q

terhadap













t

m

_{maka :} Qgh Pa  dengan Pa = Daya (watt) Q = Kapasitas aliran (m3_/s)



= Massa jenis air (kg/m3) h = Head turbin (m)

(32)

2

2 1 mv

E



dengan

v = kecepatan aliran masuk pipa (m/s) Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut :

2

2 1 Qv

P





atau dengan menggunakan persamaan kontinuitas

Q



Av

maka :

3

2 1 Av

P





dengan

A = luas penampang pipa (m2)

2.9 Daya Listrik

Daya listrik yang terbangkitkan dihitung dengan rumus Pl= V.I

Pl= Daya listrik (Watt)

V = Tegangan (Volt) I = Arus (Ampere)

2.10 Daya Turbin

Daya turbin dapat dihitung dengan rumus

Pt = _ _ _ cos . . g p l P _\ Dimana :

Pl = Daya listrik (Watt)

p

(33)

g

 = Effisiensi generator 

cos

2.11 Efisiensi Turbin

Efisiensi turbin didapatkan dari perbandingan nilai daya air dan daya turbin yaitu: % 100 x P P t a t   Dimana : t  = Efisiensi turbin (%) Pa `= Daya air (Watt)

Pt= Daya Turbin (Watt)

2.11 Pemeliharaan (maintenance)

Turbin didesain untuk bekerja dalam jangka waktu puluhan tahun dengan sangat sedikit pemeliharaan pada elemen utamanya, interval pemeriksaan total (overhaul) dilakukan dalam jangka waktu beberapa tahun. Pemeliharaan dilakukan pada sudu, pengarah dan part lain yang bersentuhan dengan air termasuk pembersihan, pemeriksaan dan perbaikan part yang rusak.

Keausan umumnya terjadi pada lubang akibat kavitasi, retakan dan pengikisan dari benda padat yang tercampur dalam air. Elemen baja diperbaiki dengan pengelasan, umumnya dengan las stainless steel. Area yang berbahaya dipotong atau digerinda, kemudian dilas sesuai dengan bentuk aslinya atau dengan profil yang diperkuat. Sudu turbin tua mungkin akan mempunyai banyak tambahan stainless steel hingga akhir penggunaannya. Prosedur pengelasan yang rumit mungkin digunakan untuk mendapatkan kualitas perbaikan terbaik.

(34)

Elemen lainnya yang membutuhkan pemeriksaan dan perbaikan selama pemeriksaan total yaitu : bantalan, kotak paking dan poros, motor servo, sistem pendingin untuk bantalan dan lilitan generator, cincin seal, elemen sambungan gerbang dan semua permukaan.

2.12 Pengaruh Pada Lingkungan

Turbin air mempunyai pengaruh yang sangat positif, yaitu : turbin air adalah salah satu penghasil tenaga terbersih, menggantikan pembakaran bahan bakar fosil dan menghapuskan limbah nuklir. Turbin air menggunakan energi yang dapat diperbarui dan didesain untuk beroperasi dalam jangka waktu puluhan tahun.