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 listri. 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 :
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, kompresor, 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,
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 diluar
casing 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
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 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
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. Turbin-turbin tersebut dinamakan sesuai dengan
nama penemunya. Walaupun dari segi 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
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. 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
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.
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
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.
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 (vertikal) 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 francis,
turbin kaplan, 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
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 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.
Gambar 2.4 Turbin Kaplan dengan sudu jalan yang dapat diatur.
Sumber :
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
Gambar 2.5 Turbin Francis
Sumber
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 menganginkan air tanpa sumber daya eksternal.
Gambar 2.6 Turbin Vortex
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 tinggi (71-500) Turbin Francis/Pelton
Tinggi tekan sangat tinggi (>500) Turbin Pelton
Sumber : M. M. Dhandekar, K. N Sharma,
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.
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 :
Dimana :
n = Putaran turbin (rpm)
ns = Putaran spesifik (rpm)
H = Tinggi effektif (m)
Tabel Klasifikasi berdasarkan putaran spesifik
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
2.7 Turbin Vortex ( Pusaran Air )
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.
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 menganginkan 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
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 DI Franz Zotlöterer dikembangkan. Paten pertama dikeluarkan pada
tahun 2004 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.
Gambar 2.7 Rumah Turbin Vortex
Sumber :
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
2.7.4 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
Gambar 2.8 Pembangkit Listrik Pusaran Air Sebagai Bio-reaktor
Sumber :
2.7.5 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
Gambar 2.9 Gravitasi Pembangkit Listrik Pusaran Air
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
Pengetahuan ini menunjukkan kepada kita, bahwa sungai-sungai diatur
dan pembangkit listrik tenaga air tradisional bertanggung jawab untuk degenerasi
mikroba dan ikan - ikan di sungai kita, karena itu turbin vortex merupakan modul
penting di dunia modern kita .
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 putaran rotasional dimana viskositas berpengaruh didalamnya.
Pergerakan aliran fluida dapat dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu:
1. Translasi murni atau translasi irotasional
2. Rotasi murni atau translasi rotasional
3. Distorsi atau deformasi murni, baik angular ataupun linier
Aliran irotasional 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. Vor tex 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 pusat vortex. Hubungan
kecepatan partikel fluida v terhadap jaraknya dari pusat putaran r dapat dilihat
Dimana:
V = kecepatan tangensial fluida (m s-1)
r = jari-jari putaran partikel fluida dari titik pusat (m)
= sirkulasi
2.8.2 Aliran Vor tex 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:
<
Dimana:
= 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 = r < r0
Dimana :
K dan = konstanta
ro = jari-jari inti pusat
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
Gambar 3.0 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 mengalirakan air dari
reservoar atas menuju turbin. Panjang Penampang air adalah :
Ltotal = L1 + L2 + L3
2.10 Saluran masuk (Inlet area)
Ada beberapa tipe dari saluran masuk (Inlet area), yaitu : saluran masuk
tipe involute, saluran masuk tipe ramp dan saluran masuk tipe scroll. Berbagai
tipe tersebut dimaksudkan untuk lebih memaksimalkan kinerja dari turbin.
Dengan konstruksi lubang masuk dengan tipe involute, saluran masuk tipe ramp
dan saluran masuk tipe scroll dapat mengurangi efek dari turbulensi yang terjadi
Gambar 3.1 Beberapa tipe dari lubang masuk (Inlet area)
Sumber :
