BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Dalam suatu sistem PLTA dan PLTMH, turbin air merupakan salah satu peralatan utama selain generator. Turbin air adalah alat untuk mengubah energi air menjadi energi puntir. Energi puntir ini kemudian diubah menjadi energi listrik oleh generator.
2.1 POTENSI TENAGA 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 menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran air di sungai.
Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head adalah beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar dari kincir air/turbin air. Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi potensial air yaitu :
h = head [m]
g = percepatan gravitasi [m/ s2 ]
Daya merupakan energi tiap satuan waktu ��
�� sehingga persamaan (2.1) dapat
Dengan mensubsitusikan P terhadap ��
�� dan mensubstitusikan ρQ terhadap � �
Selain memanfaatkan air jatuh hydropower dapat diperoleh dari aliran air datar. Dalam hal ini energi yang tersedia merupakan energi kinetik
�k=
1
2��
2 ...(2.3) Dengan :
v = kecepatan aliran air [m/s]
Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut: � = 1
2�Q�
2 ...(2.4)
atau dengan menggunakan persamaan kontinuitas
Q = Av
maka � = 12�A�
3 ...(2.5) A = luas penampang aliran air [m2]
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. 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.
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 impuls atau turbin tangensial. Aliran air mendorong ceruk disekeliling kincir turbin pada kecepatan maksimum dan jatuh keluar sudu dengan tanpa kecepatan.
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 impuls selanjutnya.
Turbin air terdapat dalam suatu pembangkit listrik berfungsi untuk mengubah energi potensial yang dimiliki air menjadi energi kinetik. Selanjutnya energi kinetik ini akan dirubah menjadi energi elektrik melalui generator. Hal ini menyebabkan setiap pembahasan tentang turbin hidrolik akan mengikutsertakan generator sebagai pembangkit listrik.
2.3 KLASIFIKASI TURBIN AIR
Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, namun yang paling utama adalah klasifikasi turbin air berdasarkan cara turbin air tersebut merubah energi menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini, maka turbin air dibagi menjadi dua yaitu:
1. Turbin impuls, dan 2. Turbin reaksi. 2.3.1 Turbin Impuls
karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan.
2.3.1.1 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 Turbin Pelton
2.3.1.2 Turbin Turgo
turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan
Gambar 2.2 Turbin Turgo
2.3.1.3 Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow
Tipe turbin impuls lainnya dalah turbin Crossflow (Stapenhorst, 1978) yang biasa disebut sebagai turbin banki atau turbin Mitchell. Turbin cross flow merupakan turbin impuls yang berporos horizontal bekerja dengan cara tekanan air dikonversikan menjadi energi kinetic di inlet adaptor. Aliran air yang menyebabkan berputarnya runner setelah berbenturan pertama dengan sudu turbin, kemudian menyilang (cross flow) mendorong sudu tingkat kedua.
Gambar 2.3 Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow (Turbin Michell-Banki)
2.3.2 Turbin Reaksi
Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir. Turbin air reaksi dibagi menjadi dua jenis yaitu:
2.3.2.1. Turbin Francis
Diciptakan oleh James Francis Bichens dari Inggris. Termasuk jenis turbin reaksi dengan arah aliran aksial-radial. Turbin ini beroperasi pada head (tinggi jatuh) 10 – 650 meter, dapat menghasilkan daya 10 – 750 MW dengan Ns (spesific speed) 83 – 1000 rpm. Pada umumnya turbin ini di desain dengan posisi poros vertikal untuk menjaga agar air tidak mengenai rumah generator dan peralatan bantu lainnya.
Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan
rendah di bagian keluar. Sudu pengarah pada turbin Francis merupakan suatu sudu
Gambar 2.4 Turbin Francis
2.3.2.2. Turbin Kaplan
Turbin Kaplan termasuk kelompok turbin air reaksi jenis baling-baling (propeller). Keistimewaannya adalah sudut sudu geraknya (runner) bisa diatur
(adjustable blade) untuk menyesuaikan dengan kondisi aliran saat itu yaitu
Gambar 2.5 Turbin Kaplan
2.3.2.2.1. Prinsip Kerja Turbin Kaplan
pada beban tidak penuh turbin kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi, hal ini dikarenakan sudu-sudu turbin Kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban yang ada.
2.3.2.2.2 Komponen Utama Turbin Kaplan
Komponen-komponen utama turbin Kaplan adalah: 1. Rumah turbin
Air dari saluran pipa didistribusikan di sekeliling cincin rumah turbin. Rumah turbin didesain sedemikian sehingga luas penampang melintangnya berkurang secara seragam. Luas penampang melintangnya maksimum pada sisi masuk dan minimum pada ujung.
Rumah turbin akan mendistribusikan air secara merata kepada guide vane. Untuk mencapai aliran seragam pada runner blade, maka aliran air harus seragam masuk ke dalam guide vane.
2. Mekanisme pengarah (guide vane)
Sudu pengarah (guide vane) terpasang tetap diantara dua cincin dalam bentuk roda. Roda ini dipasang tetap pada rumah turbin. Sudu pengarah didesain untuk:
Supaya air masuk ke runner tanpa kejut.
Supaya air mengalir tanpa membentuk arus Eddy.
Supaya sejumlah air bisa memasuki turbin.
Sudu pengarah bisa dibuka dan ditutup dengan memutar poros pengatur, sehingga jumlah air bisa diatur sesuai keperluan. Poros pengatur dioperasikan dengan menggunakan governor, yang fungsinya mengatur turbin (yaitu menjaga kecepatan turbin konstan pada beban yang bervariasi).
Turbin Kaplan adalah salah satu jenis dari turbin reaksi aliran ke dalam (inward), yakni turbin reaksi dimana air memasuki roda pada bagian lingkaran luar dan mengalir menuju kedalam melalui sudu (yaitu menuju pusat roda). Turbin reaksi ini terdiri dari sudu pengarah tetap, yang mengarahkan air ke roda bergerak dengan sudut yang benar. Air ketika mengalir pada sudu/vane, menghasilkan gaya ke roda. Gaya ini menyebabkan roda berputar.
3. Runner blade
Runner blade terdiri dari sudu yang terpasang tetap pada poros atau cincin. Sudu didesain supaya air masuk dan meninggalkan turbin tanpa kejut. Runner blade terpasang pada poros. Jika porosnya vertikal, disebut turbin vertikal, dan jika poros horisontal maka disebut turbin horisontal. Untuk head rendah, runner blade bisa dibuat dari besi tuang, tetapi untuk head tinggi, runner blade dibuat dari baja atau paduan. Jika air secara kimia tidak murni, runner dibuat dari paduan spesial.
4. Draft tube
Air setelah melewati runner, mengalir turun melalui pipa yang disebut draft tube. Draft tube mempunyai fungsi antara lain:
Meningkatkan head air sebesar tinggi runner dari permukaan air.
Meningkatkan efisiensi turbin.
Gambar 2.9 Draft tube
2.3.2.2.3 Dimensi Dasar Turbin Kaplan
Gambar 2.10 Elemen dasar turbin Kaplan
Persamaan dasar untuk mencari diameter luar runner (D) : � = (66,76 + 0,136 ��)√�eff
� ...(2.6)
Dengan
Ns = putaran spesifik [rpm]
N = putaran turbin [rpm]
Persamaan dasar untuk mencari tinggi guide vane (B) : �= �0,45−31,80
�� � � ...(2.7)
Dan persamaan untuk mencari diameter dalam (Db) :
� =�
4(�
2 − �
�2)��...(2.8)
2.3.2.2.4 Dimensi Dasar Runner Blade
Gambar 2.11 Segitiga kecepatan masuk dan keluar runner blade
Dimana,
Vf = Kecepatan aliran air
Ub = Kecepatan tepi (rim) diameter boss
U = Kecepatan tepi (rim) diameter luar
Uwb = Kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss
Uw = Kecepatan pusaran air (whirl) diameter luar
�� = Sudut sudu (blade) pada area fluida masuk (inlet)
�� = Sudut sudu (blade) pada area fluida keluar (outlet)
Persamaan untuk mencari kecepatan aliran air (Vf) adalah: Vf = �2gH ...(2.9)
�� = �.��.�
60 ...(2.10) �= �.�.�
60 ...(2.11)
Persamaan untuk mencari Kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss dan diameter dalam adalah :
��� = 100 . ��.�.���...(2.12)
�� = 100 . ��.�.��...(2.13)
Persamaan untuk mencari Sudut sudu (blade) pada area fluida masuk (inlet) adalah :
tan (��) = ���
�...(2.14)
Persamaan untuk mencari Sudut sudu (blade) pada area fluida keluar (outlet) adalah :
tan (��) = ��
���...(2.15)
2.4 KARAKTERISTIK TURBIN
Gambar 2.12 Grafik perbandingan karakteristik turbin
Dapat dilihat pada gambar 2.12 turbin Kaplan adalah turbin yang beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi. Hal ini karena sudu-sudu turbin dapat diatur secara manual atau otomatis untuk merespon perubahan kapasitas.
2.5 SELEKSI AWAL JENIS TURBIN
Untuk setiap jenis turbin terdapat suatu nilai kisaran tinggi terjun dan kecepatan spesifik yang sesuai. Korelasi empiris antara terjun (H) dan kecepatan spesifik (Ns) disajikan dibawah ini.
Untuk turbin Francis, Moody memperoleh korelasi sebagai berikut:
�� =�6803
+9,75+ 84 ...(2.16)
Sedangkan untuk turbin propeller atau Kaplan, Moody memperoleh korelasi sebagai berikut:
�� =�9431
+9,75+ 155...(2.17)
Dengan H adalah tinggi terjun netto (m) dan Ns adalah kecepatan spesifik metrik.
Tabel 2.1 Jenis-jenis turbin air dan kisaran kecepatan spesifiknya (Ns)
Jenis Turbin Ns (metrik)
1. Turbin Impuls a. Satu jet (Turbin Pelton) 4-30 b. Banyak jet (turbin Doble) 30-70 2. Turbin Reaksi a. Francis
Ns rendah 50-125
Ns normal 125-200
Ns tinggi 200-350
Ns exspress 350-500
b. Propeller
Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Air selalu diusahakan agar generator dikopel langsung dengan turbin. Atau dengan kata lain putaran turbin terbatas pemilihannya agar dapat dikopel dengan generator. Putaran turbin berhubungan dengan spesifik sebagaimana persamaan 2.22 di atas, atau menurut referensi yang lain :
H = tinggi terjun efektif [m]
Dari nilai spesifik ini dapat ditentukan jenis turbin yang digunakan yang dapat dijelaskan sebagai berikut :
Ns = 8 - 50 jenis turbin Pelton
Ns = 50 - 149 jenis turbin Perancis
Ns = 150 - 1000 jenis turbin Kaplan atau Propeler
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.
2.6 ALTERNATOR
Alternator (alternate = selang-seling; artinya listrik yang dihasilkan adalah AC) menggunakan teknik yang sama seperti diatas untuk menghasilkan listrik. Ketika rotor (as) diberi arus maka rotor itu menjadi magnet. Dan ketika diputar, magnet yang ada di as menciptakan medan magnet lagi. Medan magnet ini lalu bersinggungan memotong kumpulan koil/ kumparan yang ada disekelilingnya sehingga terciptalah arus listrik. Karena magnet terdiri dari 2 kutub, maka arus listriknya menjadi selang seling, atau lazim disebut sebagai arus bolak-balik.
Adapun perbedaan antara altenator dan generator, yakni dapat dilihat pada tabel 2.2 sebagai berikut:
Tabel 2.2 Perbedaan altenator dengan generator Kumparan
Keuntungan • Pada putaran
rendah tegangan cukup
• Tidak perlu tempat
yang luas
Kerugian • Bila hubung singkat altenator rusak
• Pada putaran rendah tegangan kecil
• Perlu tempat yang luas
2.7 SABUK DATAR DAN PULI
Belt (sabuk) digunakan untuk mentransmisikan daya dari poros yang satu ke poros yang lainnya melalui roda (pulley) yang berputar dengan kecepatan sama atau berbeda.
Sabuk umumnya dipakai pada puli, sabuk ini lebih tenang dan efisien pada kecepatan tinggi, dan juga mampu mentransmisikan sejumlah daya yang besar pada jarak pusat pulley yang panjang.
2.7.1 Jenis Gerakan Pada Sabuk
Energi dari suatu puli ditransmisikan kemanapun. Berikut jenis gerakan pada sabuk:
1. Gerakan sabuk terbuka
Gambar 2.14 Sabuk terbuka
2. Gerakan membelit atau melingkar pada sabuk
Gerakan membelit atau melingkar ditunjukkan di dalam gambar 2.20, digunakan poros pengatur berputar dan paralel di dalam arah kebalikannya. Tegangan yang kecil akan menunjukkan bahwa pada suatu titik silang sabuk, hal ini akan menggosok melawan terhadap satu sama lain dan di sana akan terjadi kerusakan disebabkan gesekan berlebih dalam rangka menghindari ini, poros harus ditempatkan pada suatu jarak yang maksimum 20 b, dimana b menjadikan sabuk melebar dan kecepatan sabuk harus kurang dari 15m/sec.
3. Gerakan dengan puli pengarah
Gerakan sabuk dengan puli pengarah ditunjukkan didalam gambar 2.16, dengan menggunakan poros yang digunakan untuk pengaturan paralel dan ketika sabuk terbuka tidak adapat digunakan dalam sudut yang kecil dan penghubung pada puli kecil. Pengarah jenis ini disajikan untuk memperoleh perbandingan percepatan tinggi dan ketika tegangan sabuk yang diperlukan tidak bisa diperoleh oleh alat-alat lain. Ketika itu diinginkan untuk mentransmisikan gerakan dari satu poros ke beberapa poros, semua diatur didalam paralel, suatu sabuk menggerakan dengan banyak puli.
Gambar 2.16 Gerakan dengan puli pengarah
2.7.2 Perbandingan KecepatanPuli
Karena kecepatan linier pada kedua puli sama, maka:
��1�1 = ��2�2...(2.24) Dan perbandingan putaran kedua puli menjadi:
�2
=
�1N1 = Putaran penggerak [rpm]
N2 = Putaran yang digerakkan [rpm]
D1 =Diameter puli penggerak [m]
D2 = Diameter puli yang digerakkan [m]
2.7.3 Efisiensi Puli
Untuk mencari efisiensi puli menggunakan rumus sebagai berikut: �p= �
Daya listrik adalah banyaknya energi tiap satuan waktu dimana pekerjaan sedang berlangsung atau kerja yang dilakukan persatuan waktu. Dari definisi ini, maka daya listrik (Pl) dapat dirumuskan:
