BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Mesin Fluida
Mesin fluida adalah mesin yang berfungsi untuk mengubah energi mekanis poros menjadi energi fluida, atau sebaliknya mengubah energi fluida menjadi energi mekanis poros.
Sesuai dengan pengertian diatas maka berdasarkan fungsinya mesin fluida digolongkan atas dua golongan yaitu:
1. Mesin kerja, yaitu mesin fluida yang berfungsi untuk mengubah energi mekanis poros menjadi energi fluida. Mesin yang termasuk dalam golongan ini adalah: pompa, fan kompresor dan lain-lain.
2. Mesin tenaga, yaitu mesin fluida yang berfungsi untuk mengubah energi fluida menjadi energi mekanis poros. Mesin yang termasuk golongan ini adalah: turbin air, kincir air, kincir angin, dan lain-lain.
2.2. Teori Dasar Mekanika Fluida
Mekanika fluida adalah ilmu mekanika dari zat cair dan gas yang didasarkan pada prinsip yang sama dengan prinsip yang dipakai pada zat padat aliran zat cair di dalam pipa dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis yaitu aliran laminar dan aliran turbulen.
partikel fluida pada satu titik tertentu adalah tetap, disebutkan bahwa aliran bersifat tunak, pada suatu titik tertentu tiap partikel fluida akan mempunyai kecepatan sama, baik besar maupun arahnya. Pada titik yang lain suatu partikel mungkin mempunyai kecepatan yang berbeda aliran tunak seperti ini terjadi pada aliran yang pelan, kecepatan yang berubah dari titik ke titik disebut aliran turbulen.
Aliran laminar tidak dapat di anggap tanpa pusaran sama sekali, tetapi aliran laminar mempunyai gerak translasi dan rotasi pada bagian pusatnya dan kecepatan sudutnya merupakan harga yang rill. Gerak fluida didalam suatu pipa aliran haruslah sejajar dengan dinding tabung, meskipun besar kecepatan fluida dapat berbeda dari satu titik ke titik lain didalam pipa. Jika jarak antar garis- garis arus adalah kecil, maka kecepatan fluida haruslah besar. Tempat dengan garis-garis yang renggang tekanannya akan lebih besar dari pada tempat dengan garis-garis arus yang rapat. Sifat pokok aliran serta posisi relarifnya ditunjukkan oleh bilangan reynold. Persamaan yang lebih umum, yang memperhitungkan viskositas telah dikembangkan dengan menyertakan tegangan geser.
Mekanika fluida meletakkan dasar-dasar teori hidrolika yang difokuskan pada rekayasa sifat-sifat fluida. Dalam tenaga fluida, hidrolika digunakan untuk pembangkit, kontrol, dan perpindahan tenaga menggunakan fluida yang dimampatkan. Topik bahasan hidrolika membentang dalam banyak aspek sains dan disiplin keteknikan, mencakup konsep-konsep seperti aliran tertutup (pipa), perancangan bendungan, pompa, turbin, tenaga air, hitungan dinamika fluida, pengukuran aliran, serta perilaku aliran saluran terbuka seperti sungai dan selokan.
Fluida juga dipelajari secara analitik, numerik (komputer), maupun eksperimen tentang aliran, struktur turbulensi dan sebagainya.
Dengan menggunakan rumus-rumus mekanika fluida yang menjadi dasar mesin fluida maka dapat diketahui kecepatan aliran, head pada turbin, dan kerugian-kerugian head (head losses). Rumus-rumus mekanika fluida tersebut yaitu seperti berikut ini.
2.2.1 Persamaan Energi
Energi yang dihasilkan dari pemanfaatan sumber air bergantung pada besarnya head dan debit air, serta kecepatan dari aliran air. Adapun energi yang dihasilkan dari air dapat berupa
a. Energi Potensial
Head merupakan beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar dari turbin air.Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air merupakan energi potensial air, dimana dapat dapat dituliskan dalam persamaan berikut:
= × × ℎ...…..………..…(2.1)
Keterangan: = massa air =percepatan gravitasi / ℎ =head
Daya merupakan energi tiap satuan waktu , dengan menggunakan persamaan (2.1) dapat dinyatakan sebagai:
=
ℎ
...(2.2)Dengan mensubtitusikan P terhadap dan mensubtitusikan �terhadap maka:
Keterangan: = daya �
� = kapasitas aliran / =kerapatan (densitas) air /
b. Energi Kinematik
Selain memanfaatkan air jatuh, tenaga air dapat diperoleh dari aliran air datar, dengan memanfaatkan kecepatan dari air tersebut, dan energi yang tersedia merupakan energi kinetik, dimana :
=
………..(2.4)Dimana adalah kecepatan aliran air /
Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut:
= �
………...……(2.5)atau dengan menggunakan persamaan kontinuitas
� =
maka akan didapat persamaan:
=
………...…(2.6)Dimana adalah luas penampang aliran air
2.2.2 Persamaan Kontinuitas
Persamaan kontinuitas adalah suatuungkapan matematis mengenai hal bahwa jumlah netto massa yang mengalir kedalam sebuah permukaan terbatas sama dengan pertambahan massa di dalam permukaan itu. Gambar 2.1 di bawah ini akan menunjukkan aliran fluida aliran fluida dari kiri ke kanan.
Gambar 2.1. Aliran Fluida dari Diameter Besar ke Kecil
Pada fluida dinamis, terdapat pembahasan mengenai aliran fluida tunak, tak termampatkan, dan termampatkan. Adapun pembagiannya adalah sebagai berikut.
a. Persaamaan Kontinuitas untuk Fluida Tunak
Pada aliran tunak, kecepatan aliran fluida di suatu titik sama dengan kecepatan aliran partikel fluida lain yang melewati titik. Oleh karena massa fluida yang masuk kedalam salah satu ujung pipa harus sama dengan massa fluida yang keluar dari ujung pipa yang lain. . Hal tersebut dapat kita lihat dari gambar 2.1 dimana massa fluida yang masuk ke dalam pipa yang berdiameter besar akan memiliki massa yang sama apabila fluida tersebut keluar dari pipa yang berdiameter kecil.
Pada gambar 2.1 menunjukkan selama selang waktu yang tertentu, sejumlah fluida yang mengalir melalui bagian pipa yang berdiameter besar sejauh = . Volume fluida yang mengalir dapat dihitung dengan persamaan berikut:
Selanjutnya sejumlah fluida yang mengalir melalui pipa yang diameternya kecil sejauh = maka vlume fluida yang mengalir yaitu:
= = ………..…….(2.8)
b. Persamaan Kontinuitas untuk Fluida Tak-termampatkan
(incompressible)
Untuk fluida yang tak-termampatkan (incompressible), massa jenis fluida atau kerapatannya selalu sama disetiap titik yang dilaluinya. Selama selang waktu tertentu massa fluida yang mengalir dalam pipa yang memiliki luas penampang (diameter pipa yang besar) adalah:
=
=
……….…(2.9)=
………...….(2.10)Dengan menggunakan persamaan (2.7) dimana = = maka didapat:
=
………....(2.11)Demikian juga masaa fluida yang mengalir dalam pipa yang memiliki luas penampang (diameter pipa yang kecil) selama selang waktu yang tertentu adalah:
=
………..(2.12)Dengan menggunakan persamaan (2.8) dimana = = maka didapat:
=
………...(2.13)=
………..…..(2.14)=
………(2.15)� = �
………(2.16)Keterangan: = Luas penampang satu = Luas penampang dua
= Kecepatan aliran fluida pada penampang 1 = Kecepatan aliran fluida pada penampang 2 � =Laju aliran volume atau debit
Dari beberapa persamaan diatas dapat disimpulkan bahwa aliran volume atau debit selalu sama pada setiap titik sepanjang pipa/tabung aliran. Ketika penampang pipa menjadi besar, laju aliran fluida akan mengecil, dan sebaliknya ketika penampang pipa mengecil, maka laju aliran fluida akan meningkat.
c. Persamaan Kontinuitas untuk Fluida Termampatkan (compressible)
Pada fluida yang termampatkan atau compressible, massa jenis fluida tidak sama. Dengan kata lain massa jenis fluida berubah ketika dimampatkan. Dengan berpedoman pada persamaan yang telah diturunkan sebelumnya, pada kasus ini massa jenis fluida tetap kita sertakan. Dapat kita lihat pada persamaan (2.14) selang waktu aliran fluida sama sehingga dapat dihapus dan persaaan berubah menjadi sebagai berikut:
= ………..…………(2.17)
2.2.3. Bilangan Reynolds
Bilangan Reynolds merupakan salah satu bilangan tak berdimensi yang paling penting dalam mekanika fluida dan digunakan. Jika dua pola aliran yang mirip secara geometris, mungkin pada fluida yang berbeda dan laju alir yang berbeda pula, memiliki nilai bilangan tak berdimensi yang relevan, keduanya disebut memiliki kemiripan dinamis. Rumus bilangan Reynolds umumnya diberikan sebagai berikut:
=
� ��
=
�
� ...(2.18)
Keterangan: =Kerapatan (densitas) fluida / =Kecepatan fluida /
=Diameter
� =Viskositas absolut fluida dinamis �. ` � =Viskositas kinematic fluida: � = �/ �.
2.2.4. Persamaan Bernoulli
Kaidah energi menyatakan bahwa suatu bentuk energi akan dapat diubah menjadi bentuk energi lain. Arus air mengalir mengandung energi energi tersebut dapat diubah bentuknya misalnya perubahan dari energi potensial (tekanan) kedalam bentuk kinetis (kecepatan), atau sebaliknya. Arti selanjutnya dari kaidah kekekalan energi adalah apabila arus air dalam alirannya dilewatkan melalui turbin air, maka energi yang ada dalam air akan diubah menjadi bentuk energi lain.
Energi dapat didefinisikan sebagai kemampuan untuk melakukan usaha. Energi tidak dapat diciptakan maupun dihilangkan tapi hanya dapat dirubah. Begitu juga dengan air yang mengalir dari ketinggian tertentu, dimana aliran tersebut mengandung energi yang dapat dimanfaatkan untuk memutar roda turbin.
Untuk aliran tunak satu dimensi dengan kerapatan seragam disepanjang aliran, persamaan Euler satu dimensi dapat untuk menentukan persamaan gerakan aliran dari dua tempat yang ditinjau dari titik 1 ke titik 2.
�
+ + � =
…………..………..…(2.18)Persamaan diatas kemudian diintergalkan menjadi:
�
+ + � =
� � = �…………..………(2.19)Atau:
�
+ + � =
�+ + �
...(2.20)Persamaan di atas untuk persamaan bernoulli ideal. Persamaan berikut ini adalah persamaan fluida aktual.
�
+ + � =
�+ + � +ℎ
�...(2.21)Keterangan: , = Tekanan � � = Berat Jenis fluida �/
, = Kecepatan aliran / = Percepatan grafitasi / �= Head ketinggian
ℎ�= kerugian head
2.2.5 Kerugian Head (Head Losses)
zatcair dan dinding batas. Gerak zat cair tidak mudah diformulasikan secara matematik,sehingga diperlukan anggapan-anggapan dan percobaan-percobaan untuk mendukungpenyelesaian secara teoritis.
Persamaan energi yang menggambarkan gerak partikel diturunkan dari persamaangerak. Persamaan energi ini merupakan salah satu persamaan dasar untuk menyelesaikanmasalah yang ada dalam hidraulika. Persamaan energi dapatditunjukkan oleh persamaanEuler dan persamaan Bernoulli. Pada fluida nyata (riil) aliran yang terjadi akan mengalamigesekan dengan dinding pipa, sehingga akan mengalami kehilangan energi. Kerugian head dikategorikan atas 2 jenis yaitu:
a. Kerugian head mayor
Kerugian head ini terjadi akibat adanya gesekan antara dinding pipa dengan fluida yang mengalir di dalamnya. Persamaan umum yang dapat digunakan untuk mencarikerugianhead akibat gesekan dalam pipa dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan-persamaan berikut ini:
1. Persamaan Darcy – Weisbach
Persamaan ini digunakan untuk menghitung kerugian headakibatgesekan sepanjang pipa terhadap kecepatan aliran rata-rata.
Persamaan ini terbentuk ataskontribusi HenryDarcy dan Julius Weisbach pada tahun 1845. Persamaan ini memberikan hasil yang baik untuk pipa yang relatif pendek yang memiliki aliran laminar, transien, dan turbulen yang tidak terlalu besar. Untuk sistem pemipaan yang terdiri dari bermacam-macam pipa akan lebih rumit dalam penghitungannya dan akan lebih mudah jika digunakan software, seperti Pipeflow Expert. Persamaan ini sering digunakan untuk penghitungan dengan beda energi yang sangat besar. Persamaan ini secara teori memiliki hasil yang baik karena paramater penghitungannya lengkap. Berikut ini adalah persamaan Darcy – Weisbach.
Keterangan: ℎ =Kerugian head akibat gesekan = Panjang pipa
=Diameter pipa
=Kecepatan aliran pada pipa ⁄ = Percepatan gravitasi ⁄
= Faktor gesekan (diperoleh dari interpolasi diagram Moodantara nilaibilangan Reynolds dan relative
roughness)
2. Persamaan Hazen - Williams
Persamaan ini dikenalkan oleh Gardner Williams dan Allan Hazen pada tahun 1902. Persamaan ini sebagai pengembangan dari persamaan Chezy. Rumus ini pada umumnya dipakai untuk menghitung kerugian head
dalam pipa yang relatif sangat panjang seperti jalur pipa penyalur air minum. Persamaan ini lebih mudah digunakan untuk menghitung kerugian pipa secara manual pada sistem yang terdiri dari bermacam-macam pipa dibandingkan dengan menggunakan persamaan Darcy-Weisbach. Persamaan ini digunakan hanya untukaliran turbulen. Bentuk umum persamaan Hazen – Williamsditunjukkan pada persamaan berikut ini.
ℎ =
, �, ,, ………..(2.23)Keterangan: ℎ =Kerugianhead akibat gesekan � = Debit air /
= Diameter dalam pipa = Panjang pipa
=Resistance Coefficient (terdapat pada lampiran 3)
3. Persamaan Colebrook-White
kemudian digunakan pada Persamaan Darcy-Weisbach. Persamaan berikut ini
Persamaan Swamee-Jain memiliki faktor koreksi hingga 1 persen dari persamaan Colebrook-White untuk kekasaran relatif (ε/D)dari 10-6 sampai 10 -2 serta untuk bilangan Reynold (Re) 5000 hingga 108. Persamaanberikut ini
adalah persamaanSwamee-Jain.
=
,[ , �� +�� ,, ] ...(2.25)
Keterangan: =Faktor kekasaran
� =Koefisien Kekasaran (m) (terdapat pada lampiran 4) =Diameter pipa (m)
=Bilangan Reynolds
5. Persamaan Hardy Cross
Persamaan Hardy Cross adalah metode iterasi untuk menentukan debit aliran di sistem jaringan pipa dimana data input dan ouput pada pipa diketahui, sedangkan data debit aliran di dalam pipa tidak diketahui. Metode ini dikenalkan pada bulan November 1936 oleh Hardy Cross, professor dari Universitas Illnois, Urbana. Berikut ini adalah persamaan Hardy Cross untuk hubungan antara kerugian head dan debit.
Keterangan: ℎ =Kerugian head mayor
=Kerugian headtiap satuan debit aliran � =Debit aliran /
=Pangkat debit aliran
Tabel 2.1 Tabel nilai k dan n untuk persamaan Hardy Cross Persamaan Kerugian
Persamaan Manning dikenal juga dengan persamaan Gauckler-Manning. Persamaan Manning adalah persamaan empiris untuk mengukur kecepatan rata-rata dari aliran fluida pada saluran yang tidak tertutup sempurna (aliran saluran terbuka). Persamaan ini diperkenalkan oleh insinyur dari Prancis bernama Philippe Gauckler pada tahun 1867 dan kemudian kembali dikembangkan oleh insinyur Irlandia,Robert Manning, pada tahun 1890. Adapun persamaanGauckler–Manningadalah sebagai berikut.
=
ℎ / / ...(2.27)Keterangan: = Kecepatan aliran rata-rata pada penampang (m/s) = Faktor konversi dari / / / / ; nilai k bervariasi dari 20 (untuk batu halus dan permukaan halus) sampai 80 (untuk beton halus dan besi tuang)
=Gradien dari head losses mayor dan panjang pipa ( = ℎ /
7. Persamaan Chezy
Pada dinamika fluida, persamaan Chezy menggambarkan kecepatan aliran rata-rata pada aliran pipa turbulen terbuka dan steady. PersamaanChezy dituliskan dengan persamaan berikut ini.
= √ �
...(2.28)Keterangan: = Kecepatan rata-rata / =Koefisien Chezy ⁄ / = Radius hidrolik (m)= A/P
� = Gradien antara kerugian head mayor dan panjang pipa / = ℎ /
Persamaan ini dikenalkan oleh insinyur hidrolik PrancisAntoine de Chezy, pada tahun 1775.Koefisien Chezy diperoleh dari persamaan berikut ini.
=
/ ...(2.29)Keterangan: = Koefisien Chezy (m½/s)
= Radius hidrolik (m)
=Koefisien kekasaran Manning
8. Kerugian Head Minor
Kerugian head minor terjadi diawal pipa, belokan pipa, perubahan
penampang, dan lain sebagainya (fitting). Kerugian ini dapat dinyatakan dengan persamaan berikut ini.
ℎ = ∑
………..(2.30)Keterangan: ℎ =Kerugian head minor
∑ =Total koefisien kerugian pada fitting 9. KerugianHead Total
Kerugianheadtotal (hL) adalah hasil penjumlahan kerugianhead mayor
dan kerugianheadminor. Rumus untuk mencari kerugianheadtotal ditunjukkan pada persamaan di bawah ini:
ℎ
�= ∑ ℎ + ∑ ℎ
………(2.31)Keterangan: ℎ� = Total kerugian head
∑ ℎ = Total kerugian headmayor ∑ ℎ = Total kerugianheadminor
2.3Turbin Air
Turbin secara umum dapat diartikan sebagai alat yang dapat mengubah energi ptensial menjadi energi mekanik. Turbin ada beberapa jenis seperti: turbin uap, turbin gas, turbin angin dan turbin air.
Secara umum prinsip kerja dari turbin air adalah aliran air di dalam pipa pesat yang mengandung energi diarahkan ke roda turbin melalui inlet valve, kemudian energi yang ada di dalam air ini akan diubah bentuknya menjadi energi mekanik pada roda turbin berupa putaran. Putaran roda turbin inilah yang dimanfaatkan untuk menggerakkan suatu beban, salah satu contohnya adalah untuk menggerakkan generatr pembangkit listrik.
2.3.1. Sejarah Turbin Air
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. James B.Francis ditunjukkan pada gambar 2.1berikut ini.
Gambar 2.2. James B.Francis
(Sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/James_B._Francis )
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.
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. Victor Kaplan ditunjukkan pada gambar 2.3berikut ini.
Gambar 2.3Victor Kaplan
(Sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/Viktor_Kaplan )
turbin impulse atau turbin tangensial. Aliran air mendorong ceruk disekeliling kincir turbin pada kecepatan maksimum dan jatuh keluar sudu dengan tanpa kecepatan. Lester Pelton ditunjukkan pada gambar 2.4berikut ini.
Gambar 2.4Lester Pelton
(Sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/Lester_Allan_Pelton )
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.
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.
2.3.2 Prinsip Kerja Turbin Air
Secara umum prinsip kerja dari turbin air ini adalah aliran air di dalam pipa pesat yang mengandung energi diarahkan ke roda turbin melalui nozzle, kemudian energi yang di dalam air ini pada roda turbin di ubah bentuknya menjadi energi mekanik berupa putaran. Putaran roda turbin inilah yang dimanfaatkan untuk menggerakkan suatu beban, salah satu contohnya adalah untuk menggerakkan generator pembangkit listrik.Konstruksi dasar dari turbin air terdiri dari dua bagian utama yaitu rotor dan stator. Rotor adalah bagian–bagian dari turbin yangberputar (rotating) seperti roda turbin (runner), poros, kopling, roda gaya; sedangkanstator adalah bagian–bagian dari turbin yang diam (statis) seperti saluran masuk (pipa pesat), rumah siput (spiral case), sudu tetap (stay vane), sudu pengarah (guide vane), pipa isap, saluran buang, dan lain–lain.Adapun contoh turbin air dapat kita lihat pada gambar 2.5.
Gambar 2.5 Turbin Air Poros Vertikal
Contoh sistem turbin air tersebut dapat dilihat seperti gambar 2.5 di halaman sebelumnya. Dari gambar turbin air poros vertical tersebut dilihat komponen utama yaitu:
a. Sudu tetap (nozzle), yang berfungsi untuk mengarahkan aliran fluida kerja (air) masuk de dalam sudu gerak.
b. Sudu gerak, sudu gerak ini dipasang pada sekeliling roda turbin, yang mana fungsinya adalah untuk menerima tekanan dari kecepatan fluida kerja air masuk dan keluar sudu.
c. Rotor (roda turbin), suatu tempat dudukan sudu gerak, berfungsi untuk meneruskan daya putar yang diterima dari sudu gerak keporos yang menghandarkan putaran daya ke generator.
d. Poros, yang berfungsi untuk mentransmisikan daya atau tenaga bersama–sama dengan putaran roda turbin dan juga dapat berfungsi untuk mendukung suatu momen putar.
e. Stator (rumah turbin), berfungsi untuk melindungi atau untuk pengamanan dari proses kerja turbin, dan juga untuk mendukung konstruksi turbin secara keseluruhan.
f. Generator listrik, berfungsi untuk mengubah tenaga mekanis dari poros turbin menjadi tenaga listrik.
2.3.3 Klasifikasi Turbin Air
Turbin air pada umumnya diklasifikasikan ke dalam enam pembagian, yaitu seperti berikut ini.
1. Berdasarkan head dan kuantitas air yang tersedia
Berdasarkan pembagian ini turbin terdiri dari dua jenis, yaitu:
a. Turbin impuls, yang digunakan padahead tinggi dan kuantitas aliran yang rendah.
2. Berdasarkan nama penemu
Berdasarkan pembagian ini turbin air dibagi menjadi tiga jenis yaitu: a. Turbin Pelton, ditemukan oleh Lester Allen Pelton dari California,
Amerika. Turbin ini termasuk jenis turbin impuls dan digunakan pada head tinggi dan discharge rendah.
b. Turbin Francis, ditemukan oleh James Bichens Francis. Turbin ini termasuk jenis turbin reaksi untuk head tinggi sedang ke rendah sedang dan rendah sedang ke dischargetinggi sedang.
3. Berdasarkan aksi air pada sudu yang bergerak
Berdasarkan pembagian ini turbin dibagi menjadi dua jenis, yaitu:
a. Turbin Impulse, yang termasuk dalam jenis turbin ini yaitu turbin Pelton.
b. Turbin Reaksi, yang termasuk dalam jenis turbin ini yaitu turbin Francis, turbin Kaplan dan Propeller.
4. Berdasarkan arah aliran air ke runner
Berdasarkan pembagian ini turbin dibagi menjadi empat jenis, yaitu: a. Turbin aliran tangensial, yang termasuk dalam jenis turbin ini yaitu
turbin Pelton. Pada turbin ini, air menghantam runner secara tangensial sesuai dengan jejak rotasi.
b. Turbin aliran radial.
c. Turbin aliran aksial, yang termasuk dalam jenis turbin ini yaitu turbin Kaplan. Air pada turbin ini mengalir secara pararel searah dengan sumbu poros turbin. Pada turbin kaplan ini runner blades dapat diatur dan dirotasi sekitar titik pusat yang tetap pada runner boss. Jika runner blades dari turbin aliran aksial bersifat tetap dan tidak dapat diatur, maka turbin itu disebut sebagai turbin Propeller.
d. Turbin aliran campuran (radial dan aksial), yang termasuk dalam jenis turbin ini yaitu turbin Francis. Pada turbin ini, air masuk ke sudu secara radial dan keluar secara aksial, sejajar dengan poros turbin. 5. Berdasarkan posisi poros turbin
a. Turbin vertikal, yang memiliki poros vertikal b. Turbin horizontal, yang memiliki poros horizontal. 6. Berdasarkan kecepatan spesifik
Berdasarkan pembagian ini turbin dibagi menjadi dua jenis, yaitu:
a. Turbin dengan kecepatan spesifik rendah, yang bekerja pada head tinggi dan discharge rendah.
b. Turbin dengan kecepatan spesifik tinggi, yang bekerja pada head rendah dan dischargetinggi.
Berikut ini adalah penjelasan secara detail mengenai turbin impuls dan reaksi serta turbin-turbin yang termasuk di dalamnya.
a. Turbin Impuls
Turbin impuls adalah turbinair yang carakerjanya dengan merubah seluruh energi air (yang terdiri dari energi potensial-tekanan-kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi mekanikdalam bentuk putaran poros. Atau dengan kata lain, energi potensial air diubah menjadi energi kinetik.
Pada turbin impuls energi potensial air dirubah menjadi energi kinetik pada nosel. Air keluar nosel yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. 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 tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya.Beberapa contoh dari turbin impuls adalah:
Turbin Pelton
ruang bebas yang dirancang sekecil mungkin agar aman dalam batas yang diizinkan.
Bentuk sudu turbin, seperti terdiri dari dua bagian yang simetris, agar bisa membalikkan pancaran air dengan baik dan dapat membebaskan sudu dari gaya-gaya samping. Tidak semua sudu menerima pancaran air, tetapi hanya sebagian saja secara bergantian tergantung posisi sudu tersebut. Jumlah nosel tergantung pada besarnya kapasitas air dimana tiap roda turbin bisa dilengkapi dengan satu sampai enam nosel.
Gambar 2.6 Turbin Pelton
(Sumber: http://www.hydrosolarenergy.gr/page3.php)
Gambar 2.6 di atas adalah turbin Pelton yang terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari lima alat alat yang disebut nosel. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien.
Turbin Crossflow
Gambar 2.7 Turbin Crossflow
(Sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/Cross-flow_turbine)
Gambar 2.7 di atas adalahturbin Crossflow yang menggunakan nosel persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetis 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 2.8 PenampangTurbin Crossflow
Gambar 2.8di atas adalah penampang dari turbin crossflow yang terdiri dari komponen sebagai berikut:
1. air-venting valve
2. distributor
3. turbine casing (all thick grey) 4. runner
5. removable rear casing 6. blades
7. water flow 8. shaft
Turbin TurgodanNozzle
Gambar 2.9 Sudu turbin turgo dan nozzle
(Sumber: http://e.4shared.com/linkerror.jsp?no-sf=1&nowww=223)
b. Turbin Reaksi
Pada turbin reaksi, energi yang tersedia pada saluran masuk hanya sebagiansaja yang dirubah menjadi energi kinetik sedangkan sisanya tetap dalam bentuk energi tekan. Ketika air mengalir melalui roda gerak/runner terjadi perubahan energi tekan menjadi energi kinetik secara berangsur-angsur. Turbin reaksi disebut juga dengan turbin tekanan lebih karena tekanan air sebelum masuk roda turbin lebih besar dari pada tekanan air saat keluar roda turbin. Secara umum dapat dikatakan bahwa aliran air yang masuk keroda turbin mempunyai energi penuh, kemudian energi ini dipakai sebagian untuk menggerakkan roda turbin dan sebagian lagi dipergunakan untuk mengeluarkan air kesaluran pembuangan. Jenis turbin reaksi yang sering digunakan antara lainsebagai berikut:
Turbin Francis
Bagian –bagian utama dari turbin francis adalah sebagai berikut:
Rumah spiral yang menerima air dari pipa pesat dan mengarahkan air ke turbin(runner).
Bagian turbin yang berputar (runner).
Pipa pelepas air (draft-tube) yang meneruskan air dari turbin ke saluran pembuangan.
Gambar 2.10 Turbin Francis
Gambar 2.10 di halaman sebelumnya adalahturbin Francisyang dipasang diantara sumber tekanan air 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.Turbin ini akan dibahas lebih lanjut pada sub bab berikutnya.
TurbinKaplan (Propeller)
Gambar 2.11 Turbin Kaplan
(Sumber:http://www.mecaflux.com/en/turbines.htmttp://hydropowerplantsttpl n.blogspot.com/2012/02/pelatihan-di-bandung.html)
bersifat tetap dan tidak dapat diatur, maka turbin itu disebut sebagai turbin Propeller.
2.3.4 Perbandingan Karakteristik Turbin Air
Perbandingan karakteristik turbin dapat kita lihat pada grafik flow (m3/s) vshead (m) adalah seperti dtunjukkan pada gambar 2.12 di bawah ini.
Gambar 2.12 Grafik Perbandingan Karakteristik Turbin. (Sumber:Sunyoto, Teknik Mesin Industri Jilid 3 untuk SMK)
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.
2.3.5 Pemilihan Jenis Turbin
Secara teoritis dalam perencanaan pemilihan jenis turbin ditentukan berdasarkan kecepatan spesifik (ns) dan tinggi jatuh air efektif (He).
Pemilihan berdasarkan tinggi jatuh air
Pemilihan dengan berdasarkan tinggi jatuh air diperoleh, maka dapat dilihat pada tabel 2.2 berikut ini.
5
Kecepatan spesifik adalah kecepatan turbin dimana dapat dihasilkan 1 HP untuk setiap tinggi jatuh air (H) = 1 Ft. kecepatan spesifik dari suatu turbin dapat diketahui dengan mempergunakan persamaan dan kondisi yang diketahui.Setelah dihitung atau didapatkan nilai nsdengan mempergunakan
persamaan maka dapat dipilih jenis turbin dengan menggunakan tabel 2.3 di bawah ini.
Tabel 2.3 Pemilihan Jenis Tturbin Berdasarkan Kecepatan Spesifik No Kecepatan spesifik (rpm) Type / Jenis turbin
1
Sumber:RSKhurmi.A Text Book of Hydraulic, Fluid Mechanics, and Hydraulic Machines
2.4. Dasar-dasar Perhitungan Turbin
Ada beberapa perhitungan yang diperlukan untuk menganalisa sebuah turbin yaitu:
2.4.1. Debit Air
kontinuitas debit air yang mengalir dalam pipa bertekanan dapat dihitung menggunakan persamaan:
� = .
………(2.32)Dimana: � = Debit air /
= Kecepatan aliran air / = Luas penampang pipa
2.4.2. Kecepatan Spesifik
Kecepatan spesifik dapat didefinisikan sebagai jumlah putaran roda turbin dimana dapat dihasilkan daya 1� untuk setiap jatuh air 1 . Persamaan kecepatan spesifik dapat dirumuskan sebagai:
=
. ℎ ⁄� ⁄ ……….(2.33)Dimana: =kecepatan putaran turbin � = Daya Turbin �
ℎ = Head
Adapun gambar dibawah ini menunjukkan kecepatan spesifik dari turbin Impulse, Francis dan Kaplan
2.4.3. Tinggi Jatuh Air
Pada suatu instilasi pembangkit listrik ada terdapat dua macam tinggi jatuh air yaitu tinggi jatuh air aktual dan tinngi jatuh air efektif. Untuk jenis turbin air tekanan sama , tinggi jatuh air aktualnya akan dihitung dari permukaan air di dalam kolam penampung sampai ke tengah-tengah pancaran air dari nozzle.Sedangkan untuk jenis air tekanan lebih tinggi, jatuh air aktual dihitung dari permukaan kolam penampung sampai ke permukaan air bawah.
Adapun gambar dari Tinggi Jatuh Air untuk Turbin Tekanan Lebih Tinggi dapat kita lihat pada gambar 2.13 berikut ini.
Gambar 2.13 Tinggi Jatuh Air untuk Turbin Tekanan Lebih Tinggi
. Adapun yang dimaksud dengan tinggi jatuh air efektif adalah tinggi jatuh air aktual dikurangi kerugian energy (head losses) disepanjang saluran pipa seperti ditunjukkan pada persamaan berikut:
�
= �
− ∑ �
�……….(2.34)2.4.4. Daya Air (Water Horse Power), Daya Turbin (Brake Horse Power)
dan Efisiensi
Besarnya daya air (Water Horse Power) dapat diperoleh dari kapasitas air dan tinggi jatuh air efektif seperti ditunjukkan pada persamaan berikut:
� = �. . . �
………(2.35)Sedangkan untuk menghitung besarnya daya yang dihasilkan oleh generator adalah dengan menggunakan persamaan berikut:
= . . �. �. � . �
� �…………..(2.36)Sedangkan untuk menghitung efisiensi system pembangkit pada sebuah pembangkit digunakan persamaan berikut ini:
�
�=
� � …………..…….(2.37)Dengan menggunakan persamaan diatas, maka daya yang dihasilkan oleh turbin dapat dihitung dengan persamaan berikut ini:
� =
����………..(2.38) Adapun untuk menghitung efisiensi turbin adalah perbandingkan antara daya yang dihasilkan oleh turbin dengan dengan daya yang dihasilkan oleh air seperti yang ditunjukkan persamaan berikut:
�
�=
��………..(2.39)Dimana: � = Debit air /
= Kerapatan (densitas) air / =Percepatan gravitasi / � = Head
� � � = Efisiensi transmisi poros % � = Daya air �
� = Daya Turbin �
2.5Turbin Francis
Turbin francis petama kali dikembangkan oleh James B. Francis.Pada tahun 1848 dia mampu membuktikan desainnya untuk menciptakan turbin dengan efisiensi sampai dengan 90%.Dia mengaplikasikan ilmu science dengan metode pengujian untuk menghasilkan turbin dengan efisiensi yang cukup besar, kemudian ia juga membuktikannya dengan perhitungan matematika dan grafik.
Turbin francis adalah salah satu jenis turbin air (hidraulik) yang paling sering digunakan sampai sekarang.Turbin ini beroperasi dalam headrange antara 10 sampai beberapa ratus meter dan fungsi utamanya adalah dalam memproduksi tenaga listrik. Memiliki vane antara 9 atau lebih, dimana air akanmengenai vane-vane tersebut dan mengelilinginya hingga dapat menyebabkannya berputar.
Turbin francis bekerja dengan mengunakan proses tekanan lebih. Pada waktu air masuk ke roda jalan, sebagian dari energi tinggi jatuh telah bekerja di dalam sudu pengarah (runner) dan diubah sebagai kecepatan arus masuk, kemudian sisa energi tinggi jatuh dimanfaatkan di dalam sudu jalan.Adanya pipa isap memungkinkan energi tinggi jatuh bekerja di sudu jalan dengan semaksimum mungkin.Turbin ini termasuk turbin reaksi aliran yang mengkombinasikan konsep aliran radial dan axial.Temasuk dalam turbin reaksi yangberarti kerja fluida dalam hal ini air mengubah tekanan dan bergerak memasuki turbin dan memberikan energi.
2.5.1 Prinsip Kerja Turbin Francis
Turbin francis termasuk salah satu turbin reaksi, artinya fluida yang bekerja mengubah tekanan bersamaan dengan gerak dari turbin tersebut, yang menghasilkan energi. Inletnya berbentuk spiral. Guide vane membawa air secara tangensial menuju runner. Aliran radial ini bekerja pada runner vanes, menyebabkan runner berputar. Guide vane (atau wicket gate) dapat disesuaikan untuk memberikan operasi turbin yang efisien untuk berbagai kondisi aliran air.
Air pertama kali memasuki pipa isap (penstock) lalu mengalir ke spiral casedanmengelilingi stay vane sehingga air dapat mengalir ke dalam runner dengan kecepatan merata. Sebelum memasuki runner, air melewati guide vane yang berfungsi untuk mengarahkan air atau mengubah sudut masuk air sehingga bisa diatur debit air yang masuk ke turbin. Guide vane dapat disesuaikan untuk memberikan derajat adaptabilitas untuk bermacam-macam variasi pada kecepatan aliran air dan beban dari turbin. Air mengalir secara radial tangensial menumbukrunner. Runner dilengkapi dengan vane berbentuk kurva yang akan ditabrak oleh air. Setelah melewati runner, air keluar dari runner ke pipa isap secara aksial.
2.5.2 Komponen Utama Turbin Francis PLTA Tangga
PLTA (Pembangkit Listrik Tenaga Air) merupakan pusat pembangkitan listrik yang menggunakan energi potensial yang dihasilkan oleh air, sehingga dapat memutarkan turbin air dan menggerakkan generator. Pola PLTA ini dapat memutarkan sebuah turbin air dan menggerakkan generator. Pola PLTA ini dapat menggunakan sistem bendungan atau aliran sungai (run of river). Pada turbin banyak sekali terdapat komponen-komponen yang saling berkaitan satu dengan yang lainnya. Adapun yang menjadi komponen utama sebuah Pembangkit Listrik Tenaga Air yaitu sebagai berikut :
a. Pipa Pesat (penstock)
aliran iar yang masuk melalui inlet valve yang berfungsi untuk membuka dan menutup aliran untuk keadaan tertentu. Selanjutnya inlet valve ini digunakan oleh servemotor.
b. Inlet Valve
Merupakan suatau katup pada saluran penstock yang berdekatan dengan sudu masuk turbin, yang berfungsi membuka dan menutup saluran air yang menuju turbin pada waktu pengoperasian. Inlet valve berbentuk spherical dengan diameter di dalamnya dua meter dan dioperasikan dengan minyak bertekanan yng disuplai oleh pressure oil tank atas perintah governor. Sebelum pembukaan inlet valve maka yang terlebih dahulu terbuka adalah bypass valve untuk mengisi draft tube agar tekanan antara bagian penstock dan spiral case sama sebelum air benar-benar masuk dan memutar turbin.
Gambar 2.14. Penstock yang Dihubungkan oleh Inlet Valve
Adapun jack hidrolik dalm hal ini berfungsi sebagai alat untuk membuka dan menutup katup. Jack hidrolik sendiri digerakkan oleh servomotor dengan sistem hidrolik menggunakan fluida cairan yaitu oli.
c. Rumah Keong ( Spiral Case )
Merupakan rumah turbin yang berbentuk spiral. Spiral case terbuat dari alat plat baja kulaitas tinggi dengan sambungan radial. Spiral case ini dibagi dalam 4 bagian pada saat kontruksi, pembagian ini dilakukan agar diperoleh ukuran fisik dan berat yang memudahkan untuk pengangkatan melalui darat dan perkapalan. Spiral case di PLTA siguragura dirancang tahan terhadap tekanan maksimum internal 32,7 kg/cm2, yang diperhitungkan dari tinggi maksimum dan tekanan rata-rata
ke surge tank dan akibat water hammer. Rumah keong dapat kita lihat pada gambar 2.15
Gambar 2.15. Rumah Keong (Spiral Case) d. Stay Vane
Stay Vane berfungsi sebagai pengarah aliran air. Stay vane mengarahkan aliran air ke runner, sehingga arah aliran air tepat untuk memberikan tekanan yang maksimum ke runner blade. Adapun stay vane dapat dilihat pada gambar 2.16
Gambar 2.16. Sudu Tetap (Stay Vane)
Sudu
e. Guide Vane
Guide vane merupakan mekanisme bilah-bilah baja yang dapat berotasi <90o di sekitar runner, yang berfungsi mengatur sudut masuk air ke runner sesuai dengan kontrol dari governor, misalkan terjadi perubahan frekuensi akibat adanya perubahan beban maka governor akan memberikan perintah kepada servomotor untuk membuka ataupun menutup gate vane sesuai dengan kebutuhan agar beban tetap diimbangi sehingga frekuensi akan tetap konstan. Adapunguide vane dapat dilihat pada gambar 2.17 berikut ini.
Gambar 2.17. Sudu Pengarah (Guide Vane)
f. Sudu Turbin ( runner)
Merupakan bagian utama yang berputar akibat adanya energi potensial dan tekanan air yang jatuh dari penstock ke inlet valve dan akhirnya mengalir
Sudu
ke sudu runner melalui pengaturan guide vane. Berikut ini merupakan gambar dari runner
Gambar 2.18. Sudu Turbin (Runner) g. Servomotor
Servomotor berfungsi untuk membuka dan menutup guide vane sesuai dengan daya dibutuhkan sesuai kontrol artinys semakin besar daya yang dibuthan maka survemotor akan membuka guide vane secara otomatis melalui perantaraan guide vane arm.
h. Poros Turbin (Turbine Shaft)
Gambar 2.19 Poros Turbin i. Governor
Merupakan alat bantu dalam pengoperasian turbin. Dalam keadaan normal beroperasi pada kecepatan konstan dengan mengabaikan perubahan beban. Turbine governor berfungsi untuk mengatur putaran turbin agar selalu serempak dengan frekuensi generator (putaran turbin dan frekuensi) dapat berubah-ubah dengan terjadinya perubahan pemakaian beban listrik.
Untuk mengatur perubahan beban tidak dapat kita lakukan dengan manual, karena adanya kesulitan-kesulitan sebagai berikut :
Perubahan beban tidak dapat diduga sesuai dengan pemakaian listrik
Kontruksi relative besar
Menambah biaya operasional
prinsip kerjanya berdasarkan gaya setrifugal dimana gaya tersebut dapat diperoleh dari putaran turbin.
Gaya sentrifugal yang terjadi akan menimbulkan gerak tranlasi dengan bantuan alat mekanik lainnya. Gerak translasi ini akan menggerakkan posisi sudu pengarah sesuai dengan kebutuhan dan beban serta putaran turbin. Alat ini dilengkapi dengan fly ball, untuk memperoleh, gaya setrifugal dari putaran poros turbin untuk menghasilkan gerak tranlasi, apabila putaran turbin bertambah tinggi (akibat beban turun) fly ball akan berputar dan bergeak le arah luar, sehingga manerik tuas dan
membuka katup pada distributor valve kemudian minyak ditekan dari pipa ke oil sump.
Dari oil sump melalui pipa-pipa masuk ke katup distribusi menuju servomotor, sehingga menggeser piston ke atas (kekanan) dimana regulation rod akan memutar regulating ring ke kanan. Pada regulating ring terikat sudu-sudu penggerak dengan demikian mengubah kedudukan sudu pengarah sampai posisi tertentu untuk mencapai kedudukan yang tepat. Bila kedudukannya telah dapat maka putaran akan turun kembali pada putaran yang normal.
j. Pipa hisap (Draft Tube)
Merupaka pipa pelepas air yang dipasang pada sisi runner (discharge) berfungsi untuk mengalirkan air yang keluar dari runner ke saluran pembuangan (tail race) dan untuk memanfaatkan tinggi terjun air (energi potensial) dan memanfaatkan energi kinetik air. Pipa pelepas air ( draft tube) ini mempunyai bentuk konis dengan penampang membesar kearah keluar (divergent) dengan bentuk ini akan didapt dua hal yang saling berkaitan:
Tekanan pada sisi keluar lebih besar dibandingkan pada sisi masuk sehingga seolah-olah air terhisap dari sisi masuk ke sisi luar. Oleh karena out disebut pipa hisap (draft tube).
Pada gambar 2.20 kita dapat melihat gambar pipa hisap pada Turbin yang diambil pada saat perbaikan
Gambar 2.20 Pipa Hisap (Draft Tube) k. Generator
Generator pada dasarnya yaitu yang berfungsi mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Dalam hal ini generator digerakkan oleh penggerak mula (prime mover) dengan menggunakan turbin. Turbin berfungsi untuk menggerakkan poros generator yang akhirnya energi mekanik dari turbin tadi diubah oleh generator menjadi energi listrik. Generator biasanya dikategorikan berdasarkan jenis porosnya yaitu poros vertikal dan poros horizontal. Dalam hal ini terlebih dahulu kita pelajari bentuk dan ciri-cirinya antara lain :
Generator dengan sumbu vertical, ciri-cirinya : - Putarannya rendah
- Daya yang dihasilkan cukup besar - Rotor berkutub luar
Stator
Stator terdiri layer winding dan double layer winding pada bagian stator dan rotor yang berputar ditengah-tengah. Inti stator terdiri atas segmen-segmen plat baja siliconnya disusun berlapis-lapis dan diikat dengan plat-plat yang pada ujungnya diberi baut. Gulungan stator dibuat dari penghantar tembaga yang diisolasikan dengan Epxy Resin. Pada initi dilengkapi dengan saluran udara yang berfungsi untuk mengurangi rugi gesekan dan juga untuk bushing pada saat generator dioperasikan.
Rotor
Rotor ini menggunakan tipe kutub sepatu (salient pole) dengan jumlah 18 kutub dimana kutub dibuat dengan menyusun lapisan plat baja dan setelah gulungan mendan magnet dipasang pada kutub maka akan diikat bersama-sama dengan palt diberi baut pada ujungnya. Gulungan medan magnet pada rotor terdiri dari kepingan tembaga dimana ujung-ujung belitan mengarah keluar. Gulungan medan magnet tersebut dimasukkan kedalam inti kutub medan magnet dengan isolasi pada setiap sisi belitan.
Pada permukaan kutub magnet dilengkapi dengan gulungan peredam (damper winding) berupa tahan, dimana gulungan ini berfungsi untuk meredam frekuensi harmonis yang timbul saat hubungan singkat terjadi atau gangguan tak seimbang (unbalance fault) dan juga untuk mengatasi arus negatif yang timbul. Bila timbul frekuensi harmonis yang tinggi maka akan terjadi gangguan yaitu turunnya tegangan yang dihasilkan penyearah (rectifier) yang bisa terjadi di pabrik peleburan di kuala tanjung.
dibgunakan adalah kelas B. Fungsi cincin pengumpul pada system ini adalah untuk menjadi gangguan hubungan singkat yang sewaktu-waktu bisa terjadi pada rotor.
Bearing (bantalan)
Setiap generator berkapasitas besar dilengkapi dengan bantalan poros dorong (loxwer guide bearing) yang terdapat pada bagian bawah rotor. Bantalan atas (upper guide bearing) ditempatkan pada bagian atas rotor. Masing-masing bantalan tersebut juga ditempatkan pada suatu wadah minyak, dimana minyak tersebut didinginkan dengan air yang dipompakan dari main water supply pump.
Jenis dari bantalan poros ini adalah pegas yang didukung oleh beberapa buah pegas yang berfungsi sabagai tumpuan berat dari bagian-bagian yang berputar pada generator dan turbin termasuk kemungkinan keadaan yang tidak seimbang akibat tekanan kebawah dari runner turbin. Jenis bantalan atas dan bawah adalah jenis segmen yang berfungsi sebagai tumpuan keadaan yang tidak seimbang akibat daya tekan radial dari rotor dan runner turbin.
Setiap bantalan memiliki daya operasi kerja secara normal yaitu:
o Beroperasi pada kecepatan antara 50 -110% dari kecepatan putar
normal (333rpm)
o Beroperasi pada kecepatan diatas 110% dari kecepatan putar
nominal sampai kecepatan maksimum yang diizinkan selama lebih kurang 15 menit
o Beroperasi pada keadaan kecepatan dan beban normal dimana
diode resistance tanpa disertai dengan air pendingin selama 15 menit.
ini dapat digunakan untuk mensuplai kebeban-beban yang diperlukan, seperti penerangan, menggerakkan motor-motor listrik di pabrik-pabrik dan sebagainya.
Kumparan medan yang terdapat di rotor dihubungkan dengan sumber tegangan arus searah. Sehingga disekitar kumparan medan akan timbul fluksi medan magnet yang statis. Bila rotor yang memiliki kumparan medan diputar, akan terjadi perubahan besar fluksi yang memotong kumparan-kumparan jangkar di stator, sesuai dengan hukum Faraday, dengan adanya perubahan medan magnet yang memotong suatu konduktor maka pada konduktor akan timbul tegangan induksi. Dengan demikian pada kumparan stator akan diinduksikan tegangan yang besarnya sebanding dengan kecepatan putar rotor dan besar fluksi yang diinduksikan oleh kumparan medan.
2.6. Kavitasi
Kavitasi adalah suatu peristiwa terjadinya gelembung-gelembung uap di dalam cairan (air) yang mengalir apabila tekanan ditempat tersebut sama dengan tekanan uapnya. Bila gelembung-gelembung tersebut terjadi maka akan bersama-sama terbawa aliran dan pada daerah yang lebih tinggi tekanannya, gelembung tersebut akan pecah dengan tiba-tiba. Pecahnya gelembung-gelembung ini akan menghasilkan tekanan yang sangat tinggi bisa mencapai 100 atm.
Dengan tekanan yang begitu tinggi akan mudah merusak material atau komponen-komponen yang dipakai pada instalasi turbin. Akibat kavitasi adalah sebagai berikut :
o Menimbulkan suara yang sangat bising dan getaran-getaran o Mengikis bagian dalam pipa-pipa dan permukaan propeler o Menurunkan efisiensi dan daya turbin
