PENDAHULUAN
Tujuan
Batas Masalah
Manfaat Penelitian
Asumsi
Pemanfaatan energi air sering dilakukan dengan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan keberadaan air terjun atau aliran air pada suatu sungai. Turbin air ini beroperasi di daerah dengan head rendah dan memanfaatkan pusaran gravitasi air dengan menciptakan perbedaan tekanan air dengan porosnya. Dari hasil perhitungan diatas dapat digambarkan segitiga kecepatan pada sisi keluaran road bike seperti terlihat pada Gambar 3.4.
Pada saat turbin berjalan maka akan ada gaya-gaya yang bekerja pada poros akibat berat poros dan berat roda. Gaya aksial, yaitu gaya yang bekerja pada poros dalam arah vertikal akibat berat poros dan berat roda jalan. Gaya radial yang bekerja pada poros dengan arah sejajar sumbu poros disebabkan oleh momentum dan tekanan fluida yang bekerja pada arah gerak roda jalan.
Vw1 = Kecepatan air memutar roda jalan pada sisi saluran masuk (m/s) Vw2 = Kecepatan air memutar roda jalan pada sisi saluran keluar (m/s).
Sistematika Penulisan
TINJAUAN PUSTAKA
Mesin-Mesin Fluida
Pengertian Turbin Air
Komponen – Komponen Turbi
Di ujung housing terdapat ruang besar di sekitar poros turbin yang disebut exhaust hood, dan di luar housing dipasang bearing yang berfungsi menopang rotor. Pemasangan bilah tetap ini pada membran menggunakan akar berbentuk T untuk memberikan posisi stabil pada bilah. Membran terdiri dari dua bagian (atas dan bawah) dan dipasang pada alur di rumahan.
Setiap baris bilah tetap ini membentuk lingkaran penuh dan ditempatkan tepat di depan setiap baris bilah bergerak. Rotor adalah bagian berputar yang terdiri dari poros dan bilah-bilah bergerak yang dipasang mengelilingi rotor. Pada suatu rotor turbin yang terdiri dari beberapa baris piringan dengan diameter berbeda-beda, jumlah baris sudu yang bergerak biasanya disebut dengan jumlah tahapan.
Bearing berfungsi sebagai penopang rotor agar rotor dapat berdiri stabil/lurus pada posisinya di dalam housing dan rotor dapat berputar dengan aman dan leluasa. Bantalan yang menopang turbin tidak hanya berguna untuk menahan rotor turbin pada tempatnya, tetapi juga menimbulkan kerugian mekanis akibat gesekan. Sebagai bagian yang berputar, rotor cenderung bergerak baik dalam arah radial maupun dalam arah aksial.
Oleh karena itu, rotor harus ditopang dengan baik agar tidak terjadi gerakan radial atau aksial yang berlebihan.
Jenis-Jenis Turbin Air
- Turbin Impuls
- Turbin Reaksi
Turbin impuls merupakan turbin yang bertekanan sama karena tekanan air yang mengalir dari nosel sama dengan tekanan atmosfer di sekitarnya. Turbin Pelton terdiri dari serangkaian bilah yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih perangkat yang disebut nozel. Turbin Pelton memerlukan head sekitar 150 meter untuk instalasi skala besar, namun untuk instalasi skala mikro head sebesar 20 meter sudah cukup.
Turbin impuls pelton beroperasi pada head yang relatif tinggi, sehingga pada head yang rendah pengoperasiannya kurang efisien atau efisiensinya rendah. Jenis turbin impuls alternatif yang dapat beroperasi pada head rendah adalah turbin aliran atau turbin impuls aliran Ossberger. Aliran air mengalir melalui bilah jalan berbentuk silinder, kemudian air mengalir dari dalam silinder ke luar melalui bilah tersebut.
Air yang masuk ke sudu diarahkan oleh alat kemudi yang juga berfungsi sebagai nosel seperti pada turbin pelton. Prinsip konversi energinya sama dengan turbin impuls Pelton, yaitu energi kinetik dari penggerak dialirkan ke sudu-sudu dengan tekanan yang sama. Turbin air tipe impuls sudah banyak dibuat, namun yang masih banyak ditemukan hingga saat ini adalah turbin Pelton dengan bentuk ember yang terbelah ditengahnya.
Berbeda dengan flywheel pada flywheel, sudu-sudu pada flywheel dapat diputar posisinya untuk menyesuaikan kondisi beban turbin. Turbin Kaplan banyak digunakan pada instalasi pembangkit listrik tenaga air sungai karena turbin ini mempunyai keunggulan dalam penyesuaian head yang berubah-ubah sepanjang tahun. Turbin Kaplan dapat beroperasi pada kecepatan tinggi sehingga ukuran roda turbin lebih kecil dan dapat dihubungkan langsung dengan generator.
Untuk penggunaan pada kondisi aliran air yang berbeda, menggunakan guide blade yang dapat disesuaikan adalah solusi yang tepat. Karena fluida sudu saluran masuk diputar melintasi seluruh tepi bagian saluran masuk, untuk daya dan putaran yang sama, diameter nominalnya relatif lebih kecil dibandingkan dengan turbin impuls.
Klasifikasi Turbin
- Klasifikasi Berdasarkan Ketinggian Jatuh Air
- Klasifikasi Berdasarkan Kecepatan Spesifik Turbin
- Klasifikasi Berdasarkan Arah Aliran Fluida
Ciri utama turbin reaksi pada semua jenis turbin baik turbin uap, turbin gas maupun turbin air adalah sebagian penurunan tekanan terjadi pada sudu-sudu tetap dan sebagian lagi pada sudu-sudu yang berputar. Hal ini mengarah pada desain turbin baru yang diperkecil dari desain yang ada, dengan kinerja yang diketahui. Kecepatan spesifik merupakan kriteria utama yang menunjukkan pemilihan jenis turbin yang tepat berdasarkan karakteristik sumber air.
Kecepatan spesifik turbin juga dapat diartikan sebagai kecepatan ideal, persamaan geometri turbin yang menghasilkan satuan daya per ketinggian angkat. Setelah kecepatan spesifik yang diinginkan diketahui, dimensi dasar bagian turbin dapat dengan mudah dihitung. Perubahan ketinggian angkat dan balik dapat dilakukan dengan memvariasikan bukaan pintu, yang akan menunjukkan efisiensi turbin dalam kondisi yang berubah.
Turbin Vortex
- Cara Kerja Turbin Vortex
- Komponen Utama Turbin Vortex
- Keunggulan Turbin Vortex
- Pengaruh Turbin Vortex Pada Lingkungan
- Pengembangan Turbin Vortex di Air Sungai
Turbin vorteks merupakan turbin yang memanfaatkan pusaran air sebagai media energi pada sumbu vertikalnya, sehingga terdapat perbedaan tekanan antara sumbu tersebut dengan sekelilingnya. Turbin pusaran air gravitasi memiliki spesifikasi "teknologi bersih" karena 97% listrik yang dihasilkan bebas CO2. Pada tahun 2005, pembangkit listrik percontohan pertama dengan tenaga listrik 7,5 kW dan pembangkit listrik tahunan sekitar 43.000 kWh didirikan di Obergrafendorf di Austria Hilir.
Pada tahun 2009, pabrik percontohan dengan gravitasi untuk produksi tenaga pusaran air dioptimalkan turbin Zotlöterer, dan dilengkapi generator bertenaga, sehingga keluaran listrik dapat ditingkatkan hingga 10 kW. Antara tahun 2007 dan 2010, pembangkit listrik turbin hidro-gravitasi lainnya menyusul di Indonesia, Swiss, Irlandia, dan Austria. Sistem pembangkit listrik tenaga air Whirlpool adalah teknologi baru yang memanfaatkan energi yang terkandung dalam pusaran air besar yang tercipta melalui perbedaan ketinggian air yang rendah di sungai.
Komponen utama turbin vorteks sama dengan turbin lainnya, hanya saja turbin vorteks lebih mudah dalam pemasangan dan perawatannya. Akibat tingginya tekanan air yang melewati turbin, makhluk air tidak dapat bertahan hidup, namun turbin pusaran merupakan sistem hidrolik terbuka tanpa tekanan air yang tinggi. Turbin pusaran adalah mode dasar aliran air dan menunjukkan proses alami aerasi air di sungai.
Oleh karena itu, sifat ekologis positif dari pembangkit listrik tenaga air dengan turbin pusaran sangat berbeda dengan pembangkit listrik tenaga air tradisional, yang menghancurkan kehidupan di sungai, karena perbedaan besar tingkat tekanan air di sekitar turbin air konvensional. Pengetahuan ini menunjukkan kepada kita bahwa sungai yang diatur dan pembangkit listrik tenaga air tradisional bertanggung jawab atas degenerasi mikroba. Tidak seperti turbin pusaran, turbin ini tidak hanya didukung oleh teknologi yang sederhana dan andal.
Turbin pusaran adalah teknologi ramah lingkungan karena 97% produk listrik bebas CO2, dan turbin pusaran juga baik untuk lingkungan perairan. Konstruksi turbin pusaran memundurkan badan air (misalnya sungai) tempat turbin dibangun dan kecepatan aliran maksimum 1,5-1,8 m/s, sehingga turbin tidak menimbulkan ancaman bagi populasi ikan.
Aliran Vortex
- Aliran Vortex Bebas
- Aliran Vortex Paksa
- Aliran Vortex Kombinasi
Aliran irrotasional terjadi ketika elemen fluida di setiap titik tidak mempunyai kecepatan sudut bersih terhadap titik tersebut. Pusaran digambarkan sebagai suatu aliran yang bergerak dan berputar pada suatu sumbu vertikal sehingga terdapat perbedaan tekanan antara sumbu tersebut dengan sekelilingnya. Berdasarkan penggolongan aliran putar yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari, aliran pusaran dapat dibedakan menjadi tiga bagian yaitu.
Ciri-ciri pusaran bebas adalah kecepatan tangensial partikel fluida yang berputar pada jarak tertentu dari pusat pusaran. Aliran eddy gabungan adalah pusaran dengan pusaran paksa di inti pusat dan distribusi kecepatan sesuai dengan pusaran bebas di inti luar. Sirkulasi didefinisikan sebagai integral garis komponen kecepatan tangensial yang mengelilingi kurva tertutup pada medan aliran.
Konsep sirkulasi sering digunakan untuk mengevaluasi gaya-gaya pada benda yang dicelupkan ke dalam fluida yang bergerak.
Penampang Air
Lubang Masuk
Pipa Lepas
Kavitasi
Kecepatan air yang mengalir melalui runner dan kecepatan tangensial akibat putaran runner akan membentuk hubungan segitiga kecepatan.Hubungan segitiga kecepatan ini dapat terjadi pada sisi masuk dan keluar runner. Karena air bergerak searah dengan arah baling-baling, maka segitiga kecepatan pada sisi saluran masuk akan berbentuk garis lurus, seperti pada gambar 3.4. Casing turbin berfungsi membagi dan mendistribusikan air yang berasal dari bagian air disekitar runner.
Casing turbin atau roller casing pada perancangannya terdiri dari 2 jenis casing turbin yang berbentuk spiral dan lingkaran. Perancangan casing turbin spiral dengan diameter spiral utama 90 cm dengan metode segitiga dapat dilihat pada Gambar 3.6. Dari data diatas dapat dibuat bentuk casing turbin spiral dengan lubang inlet tipe roller seperti pada Gambar 3.7.
Pada perancangan ini material casing turbin spiral dan casing turbin sirkular adalah akrilik transparan dengan ketebalan 2,5 mm.
METODOLOGI PERANCANGAN
Prosedur Penelitian
Penentuan Kecepatan Aliran Air Pada Penampang
Analisa Segitiga Kecepatan
- Analisa Segitiga Kecepatan Pada Sisi Masu
- Analisa Sigitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar
Perhitungan Komponen – Komponen Utama Turbin
- Roda Jalan
- Ukuran – Ukuran Utama Sudu Roda Jalan
- Diameter Sudu Roda Jalan Pada Sisi Masuk
- Jarak Antara Sudu
- Tebal Sudu Roda Jalan
- Tinggi Roda Jalan
- Pemilihan Bahan Sudu
Runner merupakan salah satu komponen utama turbin yang berperan penting dalam menghasilkan gaya debit turun yang bekerja padanya. Maka dari hasil diatas dapat dibuat casing berbentuk lingkaran dengan lubang inlet tipe roller seperti pada Gambar 3.9. Dari hasil perhitungan dan pembahasan perencanaan turbin diperoleh data sebagai berikut.
Efisiensi Turbin Vortex
Putaran Spesifik Turbin
Torsi spesifik adalah torsi yang diperlukan untuk menganalisis hubungan antara torsi yang dihasilkan daya turbin dengan besarnya energi potensial yang disediakan.
Pemilihan Casing Turbin
Casing Turbin
- Casing Spiral
- Casing Lingkaran
Jadi untuk turbin utama diameter 90 cm, hasil radiusnya didapat dari gambar metode segitiga yaitu.
Pipa Buang
Perancangan Poros Turbin
- Perhitungan Momen Torsi Poros
- Pemilihan Bahan Poros
- Pemeriksaan Kekuatan Poros
Pada perancangan ini material poros yang dipilih adalah batangan baja cold finish S 45 C-D dengan kuat tarik σ = 72 kg/mm2. Jika tegangan geser lebih besar dari tegangan geser ijin maka desain tidak akan memberikan hasil yang baik.
Bantalan
- Perhitungan Gaya Radial
Suatu bantalan mampu menahan beban apabila kapasitas nominal dinamis spesifiknya lebih besar dari kapasitas dinamis yang timbul pada bantalan tersebut. Untuk mengetahui apakah bantalan mampu menahan beban-beban yang terjadi selama umur rencana, maka perlu dilakukan penyelidikan terhadap beban-beban dinamis yang timbul pada bantalan. Pembangkit listrik tenaga air sangat cocok untuk dikembangkan di Indonesia mengingat besarnya potensi pembangkit listrik tenaga air yang masih belum termanfaatkan dan masih menjadi kendala dalam menciptakan sistem pembangkit listrik tenaga mikro hidro adalah investasi awal yang besar, sehingga biaya investasi per kilowattnya lebih tinggi jika dibandingkan. dengan sistem pembangkit listrik yang ada, dan lain-lain.
