makalah turbin air
TRANSCRIPT
BAB I
PENDAHULUAN
1. 1 LATAR BELAKANG
Krisis energi yang melanda dunia dewasa ini telah menarik perhatian para ahli
untuk menemukan sumber-sumber energi baru yang lebih murah, yang tersedia dalam
jumlah yang besar. Hal ini berkaitan dengan semakin banyak dan meningkatnya
pemakaian penggunaan energi. Sumber energi yang sudah lazim dipergunakan adalah
sumber energi minyak bumi, gas alam dan batubara, sedangkan sumber energi air,
panas bumi, panas matahari dan nuklir maasih terus dikembangkan. Sebagaimana
yang telah kita ketahui bahwa persedian sumber energi minyak bumi, gas alam dan
batu bara sangat terbatas yang demikian apabila secara terus menerus kita gunakan
sumber energi tersebut, maka suatu saat sumber energi tersebut akan habis, disamping
kecenderungan melonjaknya harga sumber energi yang dimaksud. Faktor inilah yang
menjadi tantangan bagi para ilmuwan dan teknisi untuk menjauhkan diri dari
ketergantungan terhadap minyak bumi, gas alam dan batu bara.
Saat ini energi listrik merupakan salah satu sumber energi vital bagi
kehidupan manusia, baik sektor rumah tangga, komersial, publik maupun industri.
Penyediaan energi listrik sudah merupakan salah satu infrastruktur yang wajib
dipenuhi agar perekonomian suatu daerah dapat ditingkatkan. Dengan disediakannya
tenaga listrik yang dapat diandalkan dan terjangkau, maka semua kegiatan
peningkatan perekonomian daerah akan tumbuh dan dapat maju dengan pesat. Di sisi
lain, ketidaktersediaan akan energi listrik merupakan salah satu indikator daerah
tertinggal atau kemiskinan.
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. Alat tersebut adalah berupa turbin yang
digerakkan oleh air yang disambungkan dengan generator. Pemanfaatan energi air
banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan
adanya suatu air terjun atau aliran air di sungai. Sejak awal abad 18 kincir air banyak
dimanfaatkan sebagai penggerak penggilingan gandum, penggergajian kayu dan
mesin tekstil. Memasuki abad 19 turbin air mulai dikembangkan.
Dalam suatu sistim PLTA, turbin air merupakan salah satu peralatan utama
selain generator. Turbin air adalah alat untuk mengubah energi air menjadi energi
punter. Energy punter ini diubah menjadi energi listrik oleh generator. Seperti
diketahui bahwa turbin air adalah suatu mesin yang menghasilkan energi mekanik
berupa putaran poros dengan memanfaatkan energi potensial air. Energi ini
selanjutnya diubah menjadi bentuk energi lain seperti energi listrik. Pada perancangan
turbin, jenis dan dimensi sangat tergantung dari kondisi head dan kapasitas yang
tersedia. Sehingga agar diperoleh efisiensi optimum, maka Turbin air yang beroperasi
pada suatu lokasi tertentu akan mempunyai design yang spesifik (tipe maupun
dimensi) dan berbeda dengan lokasi lain.
1. 2 Tujuan
Adapun tujuan dari penulisan makalah ini, yakni:
1. Menjelaskan tentang pemanfaatan turbin air dalam Pembangkit Listrik Tenaga
Air.
2. Tujuan dari pembuatan makalah ini diantaranya untuk mengemukakan beberapa
paparan tentang tubin air yang ditunjukkan kepada pembaca yang ingin
mengetahui apa turbin air itu?
1. 3 Perumusan Masalah
Perumusan masalah yang dapat dikemukakan sesuai dengan perancangan ini
antara lain adalah sebagai berikut: 1. Masih banyak masyarkat yang ada di pedesaan
yang belum dapat menikmati penggunaan listrik baik itu sebagai penerangan maupun
sebagai pembangkit tenaga lainnya. 2. Sulitnya cara pendistribusian listrik ke daerah-
daerah yang terpencil baik di karenakan lokasi maupun dari jarak sumber energi yang
relative lebih jauh. 3. Pemakaian tenaga motor bakar yang menggunakan diesel
maupun bensin sebagai pembangkit tenaga listrik akan mengakibatkan polusi
terhadap lingkungan
1. 4 Batasan Masalah
Untuk membatasi permasalahan agar pembahasan Tugas Rancangan ini tidak
terlalu meluas maka penulis mengambil batasan permasalahan sebagai berikut :
1. Menghitung atau membahas aliran air sungai yang di gunakan untuk
menggerakkan turbin air.
2. Menghitung bagian-bagian turbin air seperti poros, bantalan,pasak ataupun alat-
alat lain pendukung turbin air.
3. Konstruksi bangunan dan peralatan elektro tidak dijelaskan seecara mendetail.
4. Menghitung konstruksi bangunan dan peralatan sipil tidak dijabarkan secara
mendetail.
BAB II
PEMBAHASAN
2.1 Pengertian
Turbin air termasuk dalam kelompok mesin-mesin fluida yaitu, mesin-mesin
yang berfungsi untuk merubah energi fluida ( energi potensial dan energi kinetis air )
menjadi energi mekanis atau sebaliknya. Berdasarkan pengertian diatas maka, mesin-
mesin fluida dapat dibagi atas 2 ( dua ) golongan yaitu : Mesin-mesin tenaga
( penggerak ). Mesin ini berfungsi untuk merubah energi fluida menjadi energi
mekanis pada poros. misalnya : turbin air, Turbin uap, Turbin gas,Kincir air, kincir
angin dan lainnya. Mesin-mesin kerja. Mesin ini berfungsi untuk mengubah energi
mekanis pada poros menjadi energi fluida ( energi potensial dan energi kinetis ).
Misalnya : Pompa, Kompresor, Blower, fan dan lain-lain.
Turbin air adalah suatu mesin yang menggunakan airsebagai fluida kerja,
yang dialirkan melalui pipa dari suatu tempatyang lebih tinggi ke tempat yang lebih
rendah pada mana turbinditempatkan. Dalam hal demikian, air memiliki energi
potensialdiwaktu mengalir didalam pipa, energi potensial air berangsur-angsur
berubah menjadi energi kinetis. Di dalam turbin air, energikinetis air diubah menjadi
energi mekanis yang timbul pada poros turbin ini merupakan suatu sumber tenaga
atau daya sehingga dapat menggerakkan peralatan-peralatan lain yangsesuai dengan
kebutuhan. Tetapi umumnya energi mekanis yangtimbul pada turbin ini dipakai untuk
menggerakkan generatorlistrik yang dikopel langsung dengan poros turbin.
Secara umum suatu turbin air terdiri dari sebuah roda gerak yang disebut
runner ataupun rotor dengan sejumlah sudu-sudu, vane atau blade ataupun bucket
yang ditumpu padasekeliling roda gerak. Jadi energi yang dikandung air
tersebutmendorong atau menerpa sudu-sudu dari roda gerak atau runnersehingga
runner ikut berputar.
2.2 Pandangan Umum Turbin Air
Ide penggunaan air sebagai sumber energi telah dikenal sejak lebih dari 2000
tahun yang lampau. Energi hydroulik yang dirubah menjadi energi mekanis
pertamasekali dipergunakan di benua asia, yaitu di China dan India,
yangmenggunakan roda-roda kincir yang dibuat dari kayu. Dari Asia pindah ke Mesir
dari Mesir terus berkembang ke negara-negara Eropa dan Amerika. Leonardo Da
Vinci ( 1452-1519 ) seorang seniman dari Italia pertama sekali membuat lukisan
kincir air. Sedangkan teorimatematisnya dilakukan oleh Galileo Galilei dan
Descartes. Kemudian Smearn dan Bossut pada tahun 1759 membuat percobaan
praktis menggunakan kincir air tersebut. Pada tahun 1836, Radien Becher
berkebangsaan Jerman menulis buku yang pertama sekali menguraikan tentang teori
dan konstruksi kincir air. Selanjutnya seorang ilmuwan Swiss, Daniel Bernoulli
( 1700-1782 ) menulis buku tentang teorikonversi energi air menjadi energi-energi
bentuk lain, dalam bukunya yang terkenal dengan buku “ HYDRODYNAMICS “.
Teori Bernoulli ini digunakan secara praktis oleh Segner ( Jerman ) untuk
membuat kincir air lebih maju dan dilakukannya pada tahun 1750. Kemudian pada
tahun yang sama pula ( 1750 ), seorang ilmuwan yang berasal dari Basle
( Switzerland ) yang bernama Leonard Euler ( 1707-1783 ) menguraikan teori tentang
“ hydraulicmachine “, yang sekarang ini menjadi dasar ilmu ini. Pada tahun 1824,
seorang ilmuwan prancis bernama Burdin membuat sebuah kincir air radial
dengansebuah mekanis pengarah yang dapat digunakan secara praktis di lapangan,
inilah yang pertama disebut turbin air. Pengembangan turbin air yang ditemukan
olehBurdin ini dilanjutkan oleh muridnya Fourneyron ( 1827 )dan untuk pertama
sekali dibuat di amerika pada tahun 1843. Pengembangan selanjutnya dilakukan
oleh :1. Heuschel-Jouvel ( Axial Flow Turbin ) tahun 1837.2. Girard, Hawd dan
Swain ( Inward Flow Turbin ) 1850.3. James Bichens Francis ( Inward Flow Turbin )
1865. Uraian di atas merupakan perkembangan turbinreaksi, sedangkan untuk turbin
impuls, dikembangkanoleh J.Pelton pada tahun 1880 di Amerika denganmembuat
turbin yang menggunakan aliran tangensial.Turbin ini dikenal dengan turbin pelton,
dan sering jugadisebut Free Jet Turbine.
2.3 Type Turbin Air Turbin air dapat dibagi atas 2 ( dua) type yaitu :
1. Impuls Turbin.
2. Reaction Turbin.
2.3.1 Impulse Turbin.
Pada turbin ini seluruh energi potensial di ubah menjadi energi kinetis
didalam nozzle sebelum menerpa roda turbin, nozzle ini pasang pada ujung penstock.
Air yang keluar dari nozzle memancar dengan kecepatan-kecepatan tinggi diarahkan
pada sejumlah sudu-sudu ( bucket ) yang dipasang sekeliling roda turbin. Karena
bentuk sudu-sudu yang sedemikian rupa, maka terjadi perubahan momentum dari
fluida yang menyebabkan sudu- sudu akan menerima gaya dorong yang
mengakibatkan roda turbin akan berputar. Setelah air mendorong sudu-sudu tersebut
air jatuh ke tail race ( air buangan ), jadi roda turbin berputar di atas permukaan
air.untuk menjaga percikan air serta membawa air keluar dari turbin ke tail race,
maka sekeliling runner ( roda gerak/putar ) dipasang rumah turbin ( casing ). Casing
yang di pasang pada turbin ini tidak mempunyai fungsi hydraulic, hanya berfungsi
sebagai mengarahkan air jatuh ke tail race dan juga berfungsi sebagai pengaman
turbin.
Yang termasuk dalam turbin ini ( Turbin Impulse )adalah antara lain :
1. Pelton Wheel.
2. Turgo Impulse Wheel.
3. Crossflow Turbin
4. Girard Turbin.
5. Banki Turbin.
6. Jonal turbin.
Turbin pelton adalah salah satu jenis turbin impulsyang lazim digunakan di
lapangan dan sangat cocok untuk head yang sangat tinggi ( 1000 ft ). Gambar.2.1.
Turbin Pelton
Gambar.2.1. Turbin Pelton
Rotor turbin pelton ini dilengkapi dengan bucket yang di pasang pada
sekeliling disc. Bucket ini akanmenerima tumbukan pancaran air dari nozzel
sehinggabucket akan bergerak. Sebuah jarum ( speed rod )dipasang pada nozzel
untuk mengatur jumlah aliran airyaitu dengan memutar hand wheel sehingga jarum
akanbergerak maju atau mundur. Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d300
m. Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbinimpulse, tetapi sudunya
berbeda. Pancaran air dari nozlemembentur sudu pada sudut 20o. Kecepatan putar
turbin turgo lebih besar dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi
langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus
menurunkanbiaya perawatan. Gambar 2.2. Sudu turbin Turgo dan nozzle
Gambar 2.2. Sudu turbin Turgo dan nozzle
Crossflow Turbin salah satu jenis turbin impuls ini juga dikenal dengan nama
Turbin Michell-Banki yangmerupakan penemunya. Selain itu juga disebut
TurbinOsberger yang merupakan perusahaan yangmemproduksi turbin crossflow.
Turbin crossflow dapatdioperasikan pada debit 20 litres/sec hingga 10 m3/secdan
head antara 1 s/d 200 m. Gambar 2.3. Turbin Crossflow
Gambar 2.3. Turbin Crossflow
Turbin Crossflow menggunakan nozle yangsesuai dengan lebar runner.
Pancaran air masuk turbindan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energikinetik
menjadi energi mekanis. Air mengalir keluarmembentur 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 2.4. Turbin Crossflow
Gambar 2.4. Turbin Crossflow
2.3.2 Reaction Turbin
Pada turbin ini aliran air yang mempunyai energi potensial dan kinetis pada
saluran masuk ( penstock dan spiral casing ) langsung di alirkan pada sudu- sudu
( bucket ) yang terpasang pada roda turbin ( runner ). Pada saat ini energi yang
dimiliki oleh air di ubah menjadi gaya tangensial pada roda turbin. Turbin ini bekerja
atas dasar gabungan dari kecepatan air dan tekanan yaitu, perbedaan tekanan air pada
inlet turbin dan outlet turbine. Pada turbin ini sudu-sudu gerak ( runner ) berada di
dalam air, dan draft tube digunakan untuk mendapatkan effesiensi yang maksimal.
Berdsarkan arah aliran air pada runner turbine, maka turbin reaksi dibagi atas : Radial
Flow Turbin yaitu, arah aliran tegak lurus terhadap sumbu rotasi runner. Axial Flow
Turbine yaitu, arah aliran sejajar dengan sunbu rotasi runner. Mixxed Flow Turbin
yaitu, arah aliran sebagian arah axial dan sebagian arah radial.
Turbin francis adalah satu jenis mixed flow turbine, yang dipakai untuk head
yang menengah. Turbinfrancis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbindipasang
diantara sumber air tekanan tinggi di bagianmasuk dan air bertekanan rendah di
bagian keluar.Rumah siput ( scorol casing ) berfungsi untuk menahansebagian besar
dari bahan tekanan hydroulik yang diterima turbin. Turbin Francis menggunakan
sudupengara, sudu-sudu pengarah ( guide vane ) dipasang disekeliling luar runner dan
mengatur daya yang keluar( output ) turbin dengan mengubah ubah bukaannya sesuai
dengan perubahan beban melalui suatumekanisme pengatur. Gambar 2.5. Sketsa
Turbin Francis
Gambar 2.5. Sketsa Turbin Francis
Gambar 2.6. Turbin Francis
Keterangan gambar ; 1. Generator Rotor 2. Generator Stator 3. Turbine Shaft
4. Runner 5. Turbine Head Cover 6. Stay Ring Discharge Ring 7. Supporting Cone 8.
Guide Vane 9. Operating Ring 10. Guide Vane Servomotor 11. Lower Guide Bearing
12. Thrust Bearing 13. Upper Guide Bearing 14. Spiral Case 15. Draft Tube Cone
Turbin Kaplan termasuk jenis axial jenis flowturbine, dimana sudu-sudu
( blade ) turbin ini dapatberputar ( adjust table runner ). Turbin ini dipakai untukhead
yang rendah pengaturan posisi blade pada turbinKaplan sangat menguntungkan pada
kondisi kapasitasaliran yang bervariasi dan head yang rendah. Gambar.2.7. Turbin
Kaplan
Gambar.2.7. Turbin Kaplan
2.4 Pembangkit Tenaga Air
Air merupakan sumber energi yang murah danrelatif mudah didapat, karena
pada air tersimpan energipotensial (pada air jatuh) dan energi kinetik (pada
airmengalir). Tenaga air (Hydropower) adalah energi yangdiperoleh dari air yang
mengalir. Energi yang dimiliki airdapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud
energimekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan
dengan menggunakan kincir air atauturbin air yang memanfaatkan adanya suatu air
terjun ataualiran air di sungai. Sejak awal abad 18 kincir air banyak dimanfaatkan
sebagai penggerak penggilingan gandum,penggergajian kayu dan mesin tekstil.
Memasuki abad 19 turbin air mulai dikembangkan. Besarnya tenaga air yang
tersedia dari suatusumber air bergantung pada besarnya head dan debit air.Dalam
hubungan dengan reservoir air maka head adalah beda ketinggian antara muka air
pada reservoir denganmuka air keluar dari kincir air/turbin air.
Instalasi perancangan turbin air dapat dilihat padagambar berikut :
Gambar.2.8. Instalasi Turbin air
Gambar.2.8. Instalasi Turbin air
Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi potensial
air yaitu :
E = mgh……….. (a)
dengan :
m = adalah massa air
h = adalah head (m)
g = adalah percepatan gravitasi (ms2 )Daya merupakan energi tiap satuan waktu ( Et ), sehingga persamaan (a) dapat
dinyatakan sebagai :
Et=mtgh
Dengan mensubsitusikan P terhadap ( Et ) danmensubsitusikan ρQ terhadap (mt )maka
P =ρQgh ……….. (b)
Dengan
P = adalah daya (watt)
Q = adalah kapasitas aliran (m3
s )ρ = adalah densitas air ( kgm3 )
Selain memanfaatkan air jatuh hydropower dapat diperoleh dari aliran air
datar. Dalam hal ini energi yangtersedia merupakan energi kinetik.
E=12mv2
……….. (c)
dengan :
v = adalah kecepatan aliran air ms
Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut :
P=12ρQ v2
……….. (d)
atau dengan menggunakan persamaan kontinuitas Q = Av
maka
P=12ρl v3
……….. (e)
dengan :
A = luas penampang aliran air (m2 )
Untuk menghitung daya yang di bangkitkan turbindapat di perhatikan pada
gambar berkut :
Daya yang dibangkitkan oleh turbin sebesar :
P = ρ .g .Q.H ……….( watt )
jadi dalam daya Kw ( kilowatt ) adalah :
P= ρ .g .Q .H P1000
(kw )
dimana :
P = daya yang dibangkitkan turbin ( kw )
ρ = rapat massa air ( 1000 Kg/m3 )
g = percepatan gravitasi ( 9,81 m/dtk2 )
Q = kapasitas aliran air ( m3/dtk )
H = head effektif ( m )
Daya yang sebenarnya adalah :
P= ρ .g .Q .H P1000
.η
maka,
P = 9,81.Q.H. η t ( kw )
dengan η = efisiensi turbin
Putaran Spesifik Turbin Kecepatan spesifik turbin adalah kecepatan turbin
model atau turbin bentuk sama, tetapi skalanya berlainan yang bekerja pada satu-
satuan head dan satuan debit airyang menghasilkan satu-satuan daya. Penentuan
spesifikini berguna untuk membandingkan semua jenis turbin airpada basis yang
sama. Kecepatan spesifik dapat didefenisikan sebagai jumlah putaran permenit pada
masa suatu runner tertentuakan berputar sehingga dihasilkan satu-satuan daya
untuksatu-satuan head. Jika kecepatan aliran air dinyatakan dengan V maka ;
V=√2 gh dengan H = head ( tinggi jatuh air ).
Substitusi persamaan Putaran Spesifik Turbin : ( rpm )
ns=[ nH 12 ] [ nH 3
2 ]ns=
n√NH
54
= ………( rpm )
Dimana :
n s =Putaran spesifik ( rpm )
n= Kecepatan putaran turbin ( rpm )
N = Daya turbin ( Hp )
H = Head efektif ( m )