BAB II

PENDAHULUAN

1. Turbin air

Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk

pembangkit tenaga listrik.. Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi

mekanis. Energi mekanis diubah dengan generator listrik menjadi tenaga listrik.

Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi

mekanis, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin

reaksi.

Turbin air adalah mesin penggerak dimana energy fluida berkerja digunakan

langsung untuk memutar roda turbin. Bagian turbin yang dipergunakan langsung

untuk berputar dimana rotor atau roda turbin. Dalam turbin fluida kerja mengalami

proses kerja ekspansi , yaitu proses penurunan tekanan yang mengalir secara kontinu.

Fluida kerjanya dapat berupa air, uap air atau gas.

Turbin air adalah turbin dengan air sebagai fluida kerjanya. Air mengalir

ditempat yang lebih tinggi ketempat yang lebih rendah. Dalam hal ini air mempunyai

energy potensial. Dalam proses aliran didalam pipa energy potensial tersebut

berangsur-angsur berubah menjadi energy kinetic. Dalam turbin energy kinetic air

berubah menjadi energy mekanik,dimana air memutar turbin.

Pada turbin yang terletak didalam rumah turbin memiliki sejumlah sudu – sudu

fluida kerja yang di alirkan melalui sudu – sudunya. Hal tersebut akan menimbulkan

gaya yang bekerja pada sudu – sudu karena roda tersebut dapat berputar.

Komponen -komponen turbin yang penting adalah sebagai berikut :

1. Sudu pengarah

Biasanya dapat diatur untuk mengontrol kapasitas aliran yang masuk turbin.

2. Roda jalan atau runner turbin

Pada bagian ini terjadi peralihan energi potensial fluida menjadi energi mekanik.

3. Poros turbin

Pada poros turbin terdapat runner dan ditumpu dengan bantalan radial dan

bantalan axial.

4. Rumah turbin

Biasanya berbentuk keong atau spiral, berfungsi untuk mengarahkan aliran masuk

sudu pengarah.

5. Pipa hisap

Mengalirkan air yang ke luar turbin ke saluran luar.

Adapun perbandingan karakteristik turbin dapat kita lihat pada grafik net head (m)

VS flow (m3/s) di bawah ini.

Grafik 2.1. Perbandingan karakteristik Turbin.

Dapat dilihat pada grafik 2.1 turbin kaplan adalah turbin yang beroperasi pada head

yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi atau bahkan beroperasi pada kapasitas

yang sangat rendah. Hal ini karena sudu – sudu turbin kaplan dapat diatur secara manual

atau otomatis untuk merspon perubahan kapasitas.

Berkebalikan dengan turbin kaplan, turbin pelton adalah turbin yang beroperasi

pada head tinggi dengan kapasitas yang rendah. Untuk turbin francis mempunyai

karakteristik yang berbeda dengan yang lainnya yaitu turbin francis dapat beroperasi

pada head yang rendah atau beroperasi pada head yang tinggi.

Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang didapatkan dan kurang

lebih pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan untuk tempat dengan

head tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head rendah. Turbin

Kaplan baik digunakan untuk semua jenis debit dan head, efisiiensinya baik dalam segala

kondisi aliran.

Tabel 1.1 Pengelompokan Turbin

  hgh head medium head low head

impulse turbines Pelton Turgo

cross-flow multi-jet Pelton Turgo

cross-flow

reaction turbines   Francis propeller Kaplan

Aplikasi penggunaan turbin berdasarkan tinggi head yang didapatkan adalah

sebagai berikut ini :

1. Kaplan 2<H<40

2. Francis 10<H<350

3. Pelton 50<1300

4. Turgo 50<H<250

2. Jenis Turbin

2 .1. Turbin Impuls

Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pda nozle. Air keluar nozle

yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu

arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse).

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. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu

jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan.

2.1.1 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.

Turbin Pelton Dipakai untuk tinggi air jatuh yang besar aliran air didalam pipa

akan keluar dengan kecepatan tinggi. Air jatuh H akan dihitung dari permukaan air di

atas sampai ke tengah – tengah pencaran air dan tidak sama dengan turbin tekanan

lebih dimana H dihitung sampai tinggi permukaan air bawah. Bagian bawah roda

turbin terdapat suatu tempat yang dinamakan sebagai ruang bebas dan ruang bebas itu

harus sekecil mungkin sedemikian rupa sehingga dalam batas – batas yang diijinkan.

Bentuk suatu turbin yang terdiri seperti 2 bagian yang simetris maksudnya

adalah supaya bisa membalikan pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu

dari gaya –gaya samping. Tidak semua sudu menerima pancaran air hanya sebagian

saja secara bergantian tergantung posisi sudu tersebut jumlah noselnya tergantung

pada besarnya kapasitas air tiap roda turbin bisa lengkap dengan satu sampai enam

nosel.

Gambar 1.6a. Turbin 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.

2 . 1.2 . Turbin Crossflow

Salah satu jenis turbin impuls ini juga dikenal dengan nama Turbin Michell-

Banki yang merupakan penemunya. Selain itu juga disebut Turbin Osberger yang

merupakan perusahaan yang memproduksi turbin crossflow. Turbin crossflow dapat

dioperasikan pada debit 20 litres/sec hingga 10 m3/sec dan head antara 1 s/d 200 m.

Gambar 1.9. Turbin Crossflow

Turbin crossflow menggunakan nozle persegi panjang yang lebarnya sesuai

dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi

konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Air mengalir keluar membentur sudu

dan memberikan energinya (lebih rendah dibanding saat masuk) kemudian

meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang pada

sepasang piringan paralel.

Gambar 1.10. Roda jalan Turbin Crossflow

konstruksi turbin ini terdiri dari komponen utama yaitu ;

1. Rumah turbin

2. Alat pengarah

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 melului sudu-sudu. Jadi perubahan

energi aliran air menjadi energi mekanik putar terjadi dua kali yaitu pada waktu air

masuk silinder dan air ke luar silinder. Energi yang diperoleh dari tahap kedua adalah

20%nya dari tahap pertama.

Air yang masuk sudu diarahkan oleh alat pengarah yang sekaligus berfungsi

sebagai nosel seperti pada turbin pelton. Prinsip perubahan energi adalah sama

dengan turbin impuls pelton yaitu energi kinetik dari pengarah dikenakan pada sudu-

sudu pada tekanan yang sama.

2 . 2 . Turbin Reaksi

Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan

terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini

memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat

berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin

reaksi. Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah

turbin.

2 .2. 1. Turbin Francis

Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang diantara

sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian

keluar. Turbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan

air masuk secara tangensial. Sudu pengarah pad 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. Konstruksi turbin terdiri dari dari sudu pengarah

dan sudu jalan, dan kedua sudu tersebut, semuanya terendam di dalam aliran air. Air

pertama masuk pada terusan berbentuk rumah keong. Perubahan energi seluruhnya

terjadi pada sudu pengarah dan sudu gerak. Aliran air masuk ke sudu pengarah

dengan kecepatan semakin naik degan tekanan yang semakin turun sampai roda jalan,

pada roda jalan kecapatan akan naik lagi dan tekanan turun sampai di bawah 1 atm.

Untuk menghindari kavitasi, tekanan harus dinaikan sampai 1 atm dengan cara

pemasangan pipa hisap.

Pengaturan daya yang dihasilkan yaitu dengan mengatur posisi pembukaan

sudu pengarah, sehingga kapasitas air yang masuk ke roda turbin dapat diperbesar

atau diperkecil. Turbin francis dapat dipasang dengan poros vertikal dan horizontal

[gambar 21.10]

Keterangan gambar ;1. Generator Rotor2. Generator Stator3. Turbine Shaft4. Runner5. Turbine Head Cover6. Stay Ring Discharge

Ring7. Supporting Cone8. Guide Vane9. Operating Ring10. Guide Vane Servomotor11. Lower Guide Bearing12. Thrust Bearing13. Upper Guide Bearing14. Spiral Case15. Draft Tube Cone

Gambar 1.10. Turbin Francis

Gambar 1.11. Sketsa Turbin Francis

2 .2. 2. Turbin Kaplan

Turbin Kaplan merupakan turbin rekasi aliran aksial. Turbin ini tersusun dari

propeller seperti pada perahu.. Propeller tersebut biasanya mempunyai tiga hingga

enam sudu. Tidak berbeda dengan turbin francis, turbin kaplan cara

kerjanya menggunakan prinsip reaksi. Turbin ini mempunyai roda jalan yang

mirip dengan baling-baling pesawat terbang [gambar 21.7]. Bila baling-

baling pesawat terbang berfungsi untuk menghasilkan gaya dorong, roda jalan pada

kaplan berfungsi untuk mendapatkan gaya F yaitu gaya putar yang dapat

menghasilkan torsi pada poros turbin. Berbeda dengan roda jalan pada francis, sudu-

sudu pada roda jalan kaplan dapat diputar posisinya untuk menyesuaikan kondisi

beban turbin [gambar 21.11]. Turbin kaplan banyak dipakai pada instalasi

pembangkit listrk tenaga air sungai, karena turbin ini mempunyai kelebihan

dapat menyesuaikan head yang berubah-ubah sepanjang tahun. Turbin kaplan dapat

beroperasi pada kecepatan tinggi sehingga ukuran roda turbin lebih kecil dan dapat

dikopel langsung dengan generator. Pada kondisi pada beban tidak penuh turbin

kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi, hal ini dikarenakan sudu-sudu turbin

kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban yang ada 

Dapat dilihat pada gambar 21.13 terlihat turbin kaplan adalah turbin yang

beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran air yang tinggi atau bahkan

beroperasi pada kapasitas yang sangat renah. Hal ini karena sudu-sudu trubin kaplan

dapat diatur secara manual atau otomatis untuk merespon perubahan

kapasitas Berkebalikan denga turbin kaplan turbin pelton adalah turbin

yang beroperasi dengan head tinggi dengan kapasitas yang rendah. Untuk turbin

francis mempunyai karakteritik yang berbeda dengan lainnya yaitu turbin francis

dapat beroperasi pada head yang rendah atau beroperasi pada head yang tinggi

3. Daya Turbin

Daya turbin air ditentukan oleh besarnya debit air dan tinggi jatuh air(head)

serta efisiensi dari turbin air tersebut. Daya turbin air ditentukan menurut persamaan

sebagai berikut:

Keterangan :

P = Daya……………..watt

m = Massa jenis………kg/m3

Q = Debit…………….. m3/s

Η = ketinggian………..m

η = Efisiensi turbin…..%

Keterangan :

τ = Torsi………….Nm

n = Putaran………..rpm

Keterangan :

E= Energi yang Dihasilkan……..kwh

t = waktu…………………………jam

Torsi

τ =

Energi yang Dihasilkan

E = P . t . ηgenerator . ηtransmisi……….kwh

Power Turbin air

P = m . Q . Hefektif . ηturbin ………….watt

m = ρ . g

Keterangan :

Ns = Putaran Spesifik………… Rpm.kw.m

Hef = ketinggian efisien………..m

Efisiensi Turbin

Efisiensi turbin ditentukan oleh perbandingan daya hidrolik dengan daya poros

turbin. Dalam bentuk persamaan adalah sebagai berikut :

Atau

Dimana : PT : daya poros (watt)

PH : daya hidrolik (watt)

T : torsi (Nm)

ɷ : kecepatan sudut (rad/s)

Putaran Spesifik

Ns = …………..Rpm.kw.m

η = PH x 100% PT

ɳT = Txɷ x 100% ÞxgxHxQ