BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Mekanika Fluida Air mengalir mempunyai energi yang digunakan untuk roda turbin, karena itu pusat-pusat tenaga air dibangun di sungai-sungai dan di pegununganpegunungan. Pusat tenaga air tersebut dapat dibedakan menjadi dua golongan yaitu pusat tenaga air tekanan tinggi dan pusat tenaga air tekanan rendah. Mulamula air ditampung di sebuah reservoir yang besar di daerah yang tinggi, dengan menggunakan pipa, air tersebut dialirkan ke rumah pusat tenaga (powerhouse), yang dibangun dibawah bendungan, dan di dalam rumah tersebut telah dipasang sebuah piranti yang akan mengubah energi aliran menjadi energi mekanik dan akhirnya diubah menjadi energi listrik. Piranti tersebut adalah turbin yang merupakan inti dari suatu pembangkitan listrik. Dari selisih tinggi permukaan air atas (TPA) dan permukaan air bawah (TPB) terdapat tinggi jatuh (H). Gambar bisa dilihat pada Gambar 2.1. berikut ini: Gambar 2.1 Bentuk Energi Pada Aliran Air ( Dengan menggunakan rumus-rumus dalam mekanika fluida, daya turbin, luas penampang lintang saluran dan dimensi bagian-bagian turbin lainnya serta bentuk

2 dari aliran air dapat ditentukan. Dari kapasitas air (Q) dan tinggi air jatuh (H) dapat diperoleh daya yang dihasilkan turbin P Q..g.H.η (2.1) dimana : P Q = daya yang dihasilkan (Watt) = debit aliran air (m 3 /detik) ρ = massa jenis air (kg/m 3 ) g = gravitasi (m/detik 2 ) H = tinggi air jatuh (m) η = effisiensi (%) Diameter pipa dan luas penampang lintang dalam turbin dapat dihitung dengan menggunakan persamaan kontinuitas. Yang dimaksud dengan luas penampang lintang saluran adalah suatu permukaan irisan saluran yang dibuat tegak lurus dengan arah aliran air. Dengan diketahui luas penampang lintang saluran (A) dan kecepatan (v), maka kapasitas air yang mengalir (Q) : Q A.v (2.2) 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. Aliran air pada suatu standar ketinggian tertentu, garis yang tak bernama pada Gambar 2.1. mempunyai energi yang dapat diklasifikasikan sebagai berikut ini :

3 Energi Potensial Energi potensial adalah energi yang dimiliki oleh air karena memiliki beda ketinggian terhadap permukaan tertentu, yang dapat dirumuskan sebagai berikut : Ez m.g.z (2.3) dimana : Ez m = energi ketinggian (J) = massa air (kg) g = gravitasi (m/detik 2 ) z = ketinggian/beda elevasi (m) Energi Tekanan Energi tekanan adalah energi yang dimiliki oleh air karena memiliki beda tekanan, dapat dituliskan rumus sebagai berikut : P Ep m. (2.4) dimana : Ep M = energi tekanan (J) = massa air (kg) P = tekanan air (N/m 2 ) ρ = massa jenis air (kg/m 3 )

4 Energi Kinetik Energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh air karena memiliki kecepatan, rumus dapat ditulis sebagai berikut : v2 Ev m. (2.5) 2 Ev m v = energi kecepatan (J) = massa air (kg) = kecepatan aliran air (m/detik) Suatu aliran dalam pipa, diambil suatu selisih ketinggian z antara tinggi air atas dan tinggi air bawah, maka menurut Bernoulli besar energi aliran tersebut adalah : Et m.g. z P m. m. v2 2 (2.6) dimana : Et m = energi total (J) = massa air (kg) g = gravitasi (m/detik 2 ) z = beda ketinggian (m) P = tekanan air (N/m 2 ) ρ = massa jenis air (kg/m 3 ) v = kecepatan aliran air (m/detik)

5 Bila pada aliran tersebut di atas diambil suatu jumlah air tiap 1 kg untuk diperhitungkan, hal ini dinamakan spesifik energi satuannya dalam (Nm/kg), karena dibagi massa (kg) maka didapat. P v2 e t = g. z = konstan (Nm/kg) (2.7) ρ 2 Kemudian dibagi kembali dengan percepatan gravitasi g, akan didapat salah satu ruas dari persamaan Bernoulli, yang mempunyai arti ketinggian. H z P.g v2 2 = konstan (m) (2.8) Persamaan diatas yang terkenal dengan sebutan persamaan Bernoulli. Pada tiap saat dan tiap posisi yang ditinjau dari suatu aliran di dalam pipa tanpa gesekan yang tidak bergerak, akan mempunyai jumlah energi ketinggian tempat, tekanan dan kecepatan yang sama besar. Persamaan Bernoulli umumnya ditulis dalam bentuk : P1 1 z 1.g 2 v 2 1 = z P g 2 v 2 (2.9) Konversi Energi Aliran air dari suatu tempat yang relatif lebih tinggi ke tempat yang relatif lebih rendah akan menghasilkan energi hidrolik potensial. Energi dari aliran ini dapat dimanfaatkan untuk pembangkit tenaga air dengan mengkonversinya menjadi energi mekanik pada poros turbin Pengukuran Head Pada pembangkit tenaga air seperti pada gambar 2.2 perbedaan antara level reservoir atas (Z res ) dan level air terendah (Z tw ) disebut head kotor (gross head). (2.10)

6 Head kotor (gross head) ini dapat disamakan dengan energi hidrolis spesifik kotor (gross specific hydraulic energy). (2.11) Dimana g adalah gravitasi. Ketika debit air Q [m 3 /detik] melewati pembangkit, daya yang keluar adalah (2.12) Dimana : P gr = daya kotor (gross power) dari pembangkit (Watt) = massa jenis air (kg/m 3 ) Q = debit air (m 3 /detik) Untuk mengetahui sistem tenaga air lebih jauh, pada gambar 2.1 energi hidrolis spesifik antara bidang (3) dan (1) dapat dilihat pada turbin. Energi spesifik ini adalah energi spesifik bersih (net specific energy) ini dan dinyatakan dengan (2.13) Dan head bersih (net head) dari turbin adalah (2.14)

7 Gambar 2.2. Pengukuran Head ( Dari gambar 2.2 dapat diperoleh dua cara mendapatkan head bersih H n. Yang pertama (2.15) Dan cara lainnya adalah (2.16) Dimana H p adalah head piezometric di atas level air terendah diukur dari bidang (1), C 2 /2g head dinamis pada bidang (1), dan E L /g adalah rugi energi hidrolis spesifik antara reservoir dan bidang (1) yang diubah menjadi head loss (H L ).

8 2.3. Turbin Air Tenaga air yang pertama yang mulai digunakan pada abad pertama sebelum masehi. Tenaga air mulai digunakan oleh manusia sudah sekitar 2000 tahun yang lalu yaitu ketika bangsa Yunani dan Romawi sudah mengenal kincir air, yang mana mereka meletakkan kincir air itu secara vertikal di aliran sungai yang panjang. Kincir air ini digunakan tenaganya untuk menggiling jagung dengan menggunakan roda gigi.. Tenaga air yang ditimbulkan oleh adanya energi potensial dan energi kinetik yang dimiliki oleh arus sungai yang mengalir tersebut yang akan memutar kincir air itu, oleh karena itu beroperasi penggilingan. Penggilingan menjadi tugas yang utama dilakukan dengan tenaga air kemudian, dan pada perkembangannya kincir ini kemudian dikembangkan oleh bangsabangsa di Asia dan Eropa Timur pada masa setelah itu yaitu sekitar abad ke 4. Gambar 2.3. Kincir Air ( Karena kincir air sudah terkenal di berbagai tempat di dunia pada waktu itu, maka manusia mulai memikirkan tentang bagaimana cara meningkatkan kegunaan dari tenaga air tersebut. Manusia mulai mengubah bentuk kincir air dari keadaan yang sebelumnya, hal ini merupakan suatu langkah yang penting bagi perkembangan teknologi kinci air pada waktu itu. Bentuk kincirpun mulai

9 bervariasi ada yang dipasang secara horisontal dengan arah putaran roda dari kiri ke kanan. Kincir yang vertikal dipasang tegak ke atas, bergerak dari bawah ke atas. Pada awalnya, kincir air dipasang sedemikian sehingga pusat dari kincir tersebut berada di atas permukaan air dan arus air akan menggerakkan bagian bawah dari kincir tersebut sehingga kincir air dapat berputar. Kemudian, mereka akan mencelupkan kincir di bawah permukaan air yang melebihi dari orientasi yang sebelumnya. Pada abad ke 18, John Smeaton menguji kedua-duanya orientasi di atas dan menemukan bahwa kincir yang bekerja mendapatkan efisiensi yang lebih tinggi. Pada abad sesudahnya para insinyur telah dapat menyempurnakan kincir air menemukan dua peningkatan, diantaranya adalah sudu dari kincir air yang dibengkokkan dapat bekerja lebih baik,dan yang kedua adalah dapat diketahui posisi yang lebih tepat dari roda sehingga dihasilkan kincir air yang efisien. Pengembangan ini membantu orang-orang dalam penggunaan dari kincir air yang sudah mempunyai tenaga yang lebih dari sebelumnya. Tenaga yang lebih tersebut tidak hanya untuk menggiling hasil panen seperti jagung dan gandum, tetapi juga dapat digunakan sebagai tenaga untuk menggerakkan konveyor, sehingga masalah pengangkutan di dalam suatu pengilingan dapat diatasi dengan penggunaan tenaga kincir air. Pada abad ke 19, turbin air telah ditemukan, dan lambat laun mulai menggeser penggunaan dari kincir air. Manusia mulai meninggalkan kincir air karena melihat bahwa turbin air jauh lebih efisien dibanding dengan kincir air. Bagaimanapun, kincir air masih tersisa di seluruh dunia sampai hari ini. Turbin air ditemukan setelah kincir air, turbin air ini menggunakan energi gravitasi untuk memutar poros. James Francis menyempurnakan turbin yang dirancang oleh Samuel Howd's dengan cara membuat kurva pada sudu-sudunya, dan selanjutnya dikenal sebagai turbin Francis. Turbin ini digunakan untuk jangka waktu yang lama dalam suatu, tetapi kemudian mesin uap menggantikan turbin dalam pemakaian tenaga penggilingan dan lainnya. Bagaimanapun, turbin Francis akan selalu digunakan sebagai salah satu dari sumber tenaga air. Di dalam usaha untuk mengendalikan sungai dan arus air, manusia mulai untuk menciptakan bendungan-bendungan yang mempunyai bentuk seperti yang dibuat oleh berang-berang. Struktur ini digunakan untuk mengarahkan atau

10 membendung arus air sungai. Untuk menyimpan air di dalam suatu reservoir, insinyur membangun suatu bendungan yang dapat menghentikan arus dari suatu aliran sungai. Mereka pada awalnya membuat bendungan dengan menggunakan tanah dan batu-batu, akan tetapi dengan berkembangnya jaman, pembuatan bendungan kemudian lebih populer menggunakan beton yang lebih kuat. Beton lebih dipilih karena dapat mencegah dari kebocoran aliran sehingga air dapat ditampung dengan daya tampung yang lebih besar tanpa membahayakan karena kuat terhadap longsor. Pada mulanya, bendungan dibuat lurus memotong sungai, konstruksi ini sangat lemah jika air yang ditampung oleh bendungan sangat besar. Berang-berang telah mengajari manusia bagaimana cara membuat suatu konstruksi bendungan yang kuat. Konstruksi bendungan yang kuat itu adalah dengan cara membagi gaya-gaya yang terjadi pada bendungan sehingga didapat suatu gaya yang menyebar dan akhirnya tekanannya menjadi berkurang. Bentuk itu adalah bendungan dibuat cembung ke arah hulu. Bendungan Hoover adalah salah satu contoh bendungan yang dibuat berdasarkan prinsip di atas. Bendungan yang mempunyai tahanan pada masing-masing sisinya, hal ini yang menyebabkan bendungan kokoh dari gaya yang ditimbulkan oleh sungai Colorado. Ketika ide mengenai pembangkitan energi listrik mulai ada, pada saat itu penggunaan turbin air mulai dilirik kembali. Pada tahun 1882, dibuat pembangkit listrik tenaga air yang pertama di dunia yang terletak di Wisconsin dengan kapasitas daya sebesar 12,5 kw. Dan pada tahun 1930-an pembangkitan di atas berkembang dengan pesat. PLTA tersebut disuplai air dari bendungan Hoover yang merupakan bendungan dari aliran sungai Colorado pada tahun PLTA tersebut terdapat beberapa turbin Francis dengan kapasitas total 130 MW. Pembangkitan ini dapat menyuplai listrik ke kota- kota besar utama pada waktu itu. Seperti yang banyak manusia ketahui, inti dari pembangitan listrik tenaga air adalah pengubahan energi mekanik menjadi energi listrik, dan itulah yang saat ini menjadi sangat berharga. Dengan berkembangnya tenaga air ke seluruh dunia, pemerintah dan organisasi lingkungan hidup tengah berusaha untuk menemukan landasan umum pada yang pro dan kontra terhadap penggunaan tenaga air.

11 2.4. Pengelompokan Turbin Air Menurut H. Grengg, jenis turbin air dapat digolongkan menjadi tiga sesuai dengan range dari head-nya, yaitu : 1. Turbin dengan head rendah. 2. Turbin dengan head medium. 3. Turbin dengan head tinggi. Sedangkan menurut cara kerjanya, turbin dapat dibagi menjadi dua, yakni turbin impuls dan turbin reaksi. Perbedan ini didasarkan pada perbedaan antara cara konversi energi pada turbin. Dengan singkat dua cara pengkonversian energi ini dijelaskan sebagai berikut: Pada dasarnya aliran energi pada turbin impuls secara keseluruhan diubah menjadi energi kinetik sebelum transformasi di turbin. Ini berarti bahwa aliran melewati sudu runner tanpa perbedaan antara aliran masuk dan keluar. Oleh karena itu hanya gaya impuls yang ditransfer oleh perubahan arah dari vector kecepatan aliran ketika melewati sudu yang membuat energi dikonversi menjadi energi mekanik pada shaft. Aliran masuk ke runner pada tekanan yang sama dengan tekanan atmosfir dalam bentuk satu atau lebih semburan jet yang ditempatkan disekeliling runner. Ini berarti bahwa setiap jet mendorong sudu pada sebagian turbin saja. Karena itu turbin impuls juga disebut turbin partial. Gambar 2.4 Turbin pelton, salah satu jenis turbin impuls (

12 Pada turbin reaksi ada dua efek yang menyebabkan transfer energi dari aliran menjadi energi mekanik pada poros turbin. Pertama dari perbedaan tekanan antara aliran masuk dan keluar runner. Ini merupakan bagian reaksi dari konversi energi. Kedua adalah perubahan arah dari vector kecepatan dari aliran melalui saluran antara sudu turbin menyebabkan gaya impuls. Ini merupakan bagian impuls dari konversi energi. Perbedaan tekanan antara aliran masuk dan keluar didapat karena runner berada di dalam air secara keseluruhan. Oleh karena itu turbin ini juga disebut turbin penuh. Gambar 2.5 Beberapa jenis turbin reaksi ( Turbin impuls Yang dimaksud dengan turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya dengan merubah seluruh energi air (yang teridiri dari energi potensial-tekanankecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi puntir dalam bentuk putaran poros. Atau dengan kata lain, energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nosel. Contoh turbin impuls adalah turbin Pelton. Turbin Pelton dipakai untuk tinggi air jatuh yang besar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang ke luar nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfer di sekitarnya. Semua energi tinggi tempat, dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin diubah menjadi energi kecepatan pelton turbin.

13 Gambar 2.6. Skema Turbin Pelton ( Turbin Reaksi Turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir dalam bentuk putaran. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Turbin ini terdiri dari sudu pengarah dan sudu jalan dan kedua sudu tersebut semuanya terendam di dalam air. Air dialirkan ke dalam sebuah terusan atau dilewatkan ke dalam sebuah cincin yang berbentuk spiral (rumah keong). Perubahan energi seluruhnya terjadi di dalam sudu gerak. Turbin air yang paling banyak digunakan adalah turbin reaksi. Turbin reaksi digunakan untuk aplikasi turbin dengan head rendah dan medium. Pada turbin reaksi, letak turbin harus diperhatikan agar tidak terjadi bahaya kavitasi yang terjadi akibat adanya tekanan absolut yang lebih kecil dari tekanan uap air. Kavitasi dapat menyebabkan sudu-sudu turbin menjadi berlubang-lubang kecil, sehingga mengurangi efisiensi turbin yang akhirnya dapat pula merusak sudu turbin. Jika turbin diletakkan lebih tinggi dari tinggi tekanan isap, maka kavitasi akan terjadi, sehingga letak turbin harus selalu di bawah tinggi tekanan isap (Hs).

14 Gambar 2.7. Skema Turbin Francis ( Tabel 2.1. Pengelompokan Turbin High Head Medium Head Low Head Cross Flow Impulse Turbine Pelton Turgo Multi-Jet Pelton Cross Flow Turgo Reaction Turbine Francis Propeller Kaplan Sumber: ( Setiap jenis turbin mempunyai suatu kcepatan spesifik tertentu. Kecepatan spesifik ini merupakan persamaan non dimensional yang dinyatakan dengan persamaan : (2.17)

15 Dimana ; N s = kecepatan spesifik (rad/detik) n = kecepatan rotasi (rpm) P = daya yang deterima oleh poros (Watt) H E = head efektif pada bagian inlet turbin (m) 2.5. Perbandingan Karakteristik Turbin Kecepatan spesifik setiap turbin mempunyai kisaran (range) tertentu berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air adalah sebagai berikut: Tabel 2.2. Kecepatan Spesifik Turbin Turbin Pelton 12 < n s < 25 Turbin Francis 60 < n s < 300 Turbin Crossflow 40 < n s < 200 Turbin Propeller 250 < n s < 1000 Sumber: ( Dengan mengetahui kecepatan spesifik turbin, maka perencanaan dan pemilihan jenis turbin akan menjadi lebih mudah, bahkan dimensi dasar turbin dapat diestimasi (diperkirakan).

16 Gambar 2.8 Perbandingan Karakteristik Turbin ( Pada gambar terlihat turbin Kaplan adalah turbin yang beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran air yang tinggi, atau bahkan beroperasi pada kapasitas yang sangat rendah. Hal ini karena pada saluran sudu jalan belokannya hanya sedikit saja. Pada waktu bekerja sudu jalan turbin ini dapat diatur posisinya, disesuaikan dengan perubahan tinggi air jatuh.

17 Gambar 2.9 Daerah Penggunaan dari Beberapa Jenis Konstruksi Turbin yang Berbeda ( Dalam pembuatan roda turbin, kebanyakan pertama sekali membuat modelnya, setelah model tersebut diselidiki, diuji dan diubah-ubah sehingga menghasilkan daya dan randemen turbin yang baik, kemudian baru dibuat roda turbin yang besar/sesungguhnya menurut bentuk modelnya Turbin Pelton Turbin Pelton adalah turbin untuk tinggi terjun yang tinggi, yaitu di atas 300 meter. Teknik mengkonversikan energi potensial air menjadi energi mekanik pada roda air turbin dilakukan melalui proses impuls sehingga turbin Pelton disebut juga turbin impuls. Turbin Pelton disebut juga turbin impuls atau turbin tekanan rata atau turbin pancaran bebas karena tekanan air keluar nosel sama dengan tekanan atmosfer. Dalam instalasi turbin ini semua energi ( geodetic dan tekanan ) diubah menjadi kecepatan keluar nosel. Tidak semua sudu menerima hempasan air, tetapi secara bergantian tergantung posisi sudu tersebut. Jumlah tergantung besarnya

18 kapasitas air, dapat bervariasi satu sampai enam. Turbin pelton dipakai untuk tinggi jatuh air yang besar, dengan kecepatan spesifik 1 sampai 15. Gambar dari turbin pelton dapat dilihat pada gambar 2.4. Pancaran air dari nozzle menghantam sudu yang terpasang disekeliling runner dengan jarak yang sama. Untuk head bersih (net head) kecepatan teoritis dari pancaran air keluar nozzle didapat menurut persamaan Bernoulli (2.18) Bagaimanapun, kehilangan energi (energy loss) pasti terjadi di nozzle. Pengaruh ini karena koefisien gesek φ, dan persamaan di atas menjadi (2.19) Berdasarkan pengalaman nilai dari koefisien gesek ini adalah φ = 0,98. Gambar Aliran pancaran air dan diagram kecepatan turbin pelton (

19 C 1 adalah kecepatan absolute. U 1 = r 1 ω merupakan kecepatan peripheral dari runner yang berhubungan dengan radius r 1 pada posisi (1). Arah kecepatan ini sama dengan persinggungan pada posisi (1) dari lingkaran. Jika c 1 dan u 1 diketahui, maka kecepatan v 1 dari partikel air relative terhadap sudu dapat dicari. c 1 merupakan hasil penjumlahan dari v 1 dan u 1. Jajaran genjang yang tercipta dari ketiga besaran ini disebut diagram kecepatan saat masuk ke sudu. Partikel air bergerak melewati sudu dan berubah arahnya secara berangsurangsur sampai meninggalkan sudu pada posisi (2) seperti yang diperlihatkan gambar Pada saat pergerakan ini partikel air mentransfer gaya impuls sesuai dengan perubahan dari arah vector kecepatan relative v 1 ke vector kecepatan relative v 2. Nilai dari v 2 tergantung pada energi loss selama pergerakan sudu turbin. Kerugian ini dapat dinyatakan dengan dimana adalah koefisien rugi. Dari pengalaman perkiraan nilai = 0,06. Hubungan antara v 1 dan v 2 didapat menurut persamaan Bernoulli : (2.20) Pada kasus ini h 1 = h 2 maka persamaan menjadi (2.21) Dan (2.22) Besar dari kecepatan v 2 hampir sama dengan v 1 dan memiliki arah seperti yang ditunjukkan posisi (2). Persamaan umum dari daya yang ditransfer adalah : (2.23)

20 Dimana : Q = debit air u 1 = kecepatan peripheral runner dimana pancaran air menumbuk sudu u 2 = kecepatan peripheral runner saat pacaran air meninggalkan sudu c u1 = komponen kecepatan absolute dalam arah u 1 c u2 = komponen kecepatan absolute dalam arah u Turbin Kaplan Desain hidrolis dari turbin Kaplan hampir mirip karena arah aliran dari pancaran guide vane adalah radial pada turbin Kaplan dan pada turbin bulb arahnya kira-kira axial. Ini berarti tidak ada perbedaan yang berarti dari interpretasi dari aliran melalui turbin ini. Oleh karena itu ilustrasi aliran pada turbin Kaplan juga berlaku untuk turbin Bulb. Gambar Turbin Kaplan ( Aliran fluida dalam ruang kosong antara aliran keluar saluran guide vane ditandai (o), dan saluran masuk runner ditandai (1), merupakan pusat pusaran bebas. Aliran diasumsikan bebas dari rugi-rugi (losses) sepanjang saluran itu. Hubungan antara komponen rotasi c u0 dari kecepatan absolute c o dan komponen rotasi c u1 dari kecepatan absolute c 1 adalah

21 (2.24) Kecepatan peripheral u 1 = r 1 ω. Dengan adanya sudut α 0 pada keluaran guide vane canal dan sudut β 2 pada keluaran saluran runner maka dapat digambarkan diagram kecepatan pada masukan dan keluaran runner. Pada gambar 2.5 ditunjukkan tiga perbedaan sudut, ω = ω normal, ω <ω normal and ω >ω normal. ω = ω normal berarti kecepatan rotasi dari turbin menerima energi loss paling rendah pada keluaran yang diwakili dengan. Ini juga merupakan kondisi kerja untuk turbin yang memperoleh efesiensi hidrolis paling tinggi untuk sudut guide vane sebesar α 0. Daya yang ditransfer aliran dinyatakan dalam persamaan (2.25) Dari gambar 2.5 didapat bahwa kecepatan peripheral u 2 = u 1, maka persamaan di atas menjadi : (2.26) 2.8. Turbin Francis Gambar 2.6 menunjukkan bagian axial yang melalui sebuah francis turbin dengan guide vane (G) dan runner (R). runner diikatkan pada poros turbin. Turbin Francis dipasang pada dasar dari sebuah reservoir terbuka yang terisi air sampai level tertentu di atas guide vane. Sudut guide vane α o diasumsikan tetap dan runner berputar pada kecepatan sudut yang tertentu dan air diisi memenuhi seluruh ruang pada runner. Melalui guide vane partikel air diasumsikan mengikuti garis pada tengah saluran guide vane seperti pada gambar 2.6. Guide vane didesain sehingga gerakan partikel air berubah dari arah radial saat masuk guide vane menjadi komponen kecepatan yang agak besar dengan arah peripheral saat keluar guide vane. Pinggir keluaran dari guide vane ditandai dengan index (o), dan kecepatan

22 absolute dari partikel air pada pinggir keluaran guide vane adalah c o. Arah c o dianggap sesuai dengan arah dari vane pada keluarannya. Gambar Bagian axial melalui turbin francis ( Diasumsikan bahwa partikel air lewat tanpa gesekan melalui ruang antara keluaran guide vane dan masukan runner. Oleh karena itu momentum pusaran tetap tidak berubah. Ini berarti rc u konstan, dan hubungan antara komponen rotasi c u0 dan c u1 dari kecepatan c 0 dan c 1 berturut-turut menjadi (2.27)

23 Dimana : r 0 adalah radius keluaran guide vane r 1 adalah radius masukan runner kecepatan peripheral dari runner berhubungan dengan radius r 1 yang didapat dari u 1 =r 1 ω. Daya yang ditransfer ke runner dari aliran air adalah (2.28) Turbin Francis Horizontal Di bawah ini terdapat sebuah turbin francis horizontal. Air mengalir memasuki runner melalui casing dan guide vanes. Runner berputar sebagai reaksi dari aliran air. Bagian-bagian utama dari turbin francis horizontal ini adalah runner, poros turbin, guide vanes, casing, dan draft tube. Gambar Bagian-bagian dari turbin francis horizontal (

24 4. Runner 7. Runner cone 9. Sudu servomotor 10. Servomotor 14. Poros Turbin 16. Alas bearing 20. Penutup bearing 22. Shaft sealing box 23. Penutup Turbin 24. Runner seal ring 25. Sudu tetap (stay vane) 26. Scroll case 28. Sudu pengarah (guide vane) 30. guide vane lever 32. Link 33. Regulating ring 34. Pipa isap (Draft tube)

25 Segitiga Kecepatan Pada Turbin Francis Horizontal Gambar Sketsa segitiga kecepatan pada impeller suatu turbin francis ( C adalah kecepatan absolut, U adalah kecepatan tangensial, dan W adalah kecepatan relatif. Kecepatan absolut C adalah penjumlahan vektorik dari kecepatan tangensial U dan kecepatan relatif W. (2.29) Berdasarkan gambar di atas, maka (2.30) (2.31)

26 Aliran Fluida Gambar aliran fluida di dalam pipa Tinjau suatu aliran air di dalam pipa aliran Idealisasi : Air dipandang sebagai fluida ideal, artinya tidak ada efek viscous (μ = 0).Aliaran adaah stasioner, artinya pada setiap penampang selama waktu yang sama mengalir sejumlah air yang sama, sehingga untuk suatu titik tertentu dalam aliran itu, tekanan dan kecepatannya tidak berubah.air sebagai fluida inkompresibel, sehingga berat jenis air selalu konstan, 1 2 γ = γ.sistem bersifat adiabatik, yang berarti tidak ada kalor keluar ataupun masuk ke dalam sistem. Dengan idealisasi yang telah ditentukan di atas, maka persamaan Bernauli yang menyangkut kelestarian energi mekanik fluida adalah: (2.32) Atau (2.33)

27 Dimana : = head statis [m] = head dinamis (m) z = ketinggian yang diukur dari suatu datum (m) Persamaan di atas tidak memperhitungkan adanya rugi-rugi pada system. Turbin Francis dengan Poros Vertikal Sebagai gambaran dari turbin Francis dengan poros vertical dapat dilihat gambar Gambar tersebut merupakan potongan dari turbin Francis dengan poros vertical. Turbin dengan poros vertikal inilah yang digunakan dalam pembangkitan listrik Saguling. Komponen generator pada jenis ini berada di atas turbin. Penempatan turbin Francis di dalam bangunan di bawah tanah adalah mungkin, yang baik dan menguntungkan untuk turbin ini adalah bila tinggi permukaan air bawah sangat berubah-ubah. Dan sebagai gambaran pula bahwa turbin berada di bawah tanah dapat di lihat gambar berikut : Gambar Posisi Turbin di Bawah Generator (

28 Gambar 2.17.Turbin Francis dengan Poros Vertical ( Keterangan gambar : 1. Rumah keong (Thescroll casing) 3. Sudu gerak (Runner) 4. Poros (Shaft) 5. Pipa isap (Draft tube cone) 8. Sudu penyangga (Stay vanes) 9. Sudu pengarah (Guide vanes) 12. Tutup atas turbin (Upper cover) 13. Cincin labirin (Sealing box) 14. Bantalan penghantar (Guide bearing) 14a. Blok bantalan (Bracket for the bearing(14))

29 15. Cincin hantaran (Regulating ring)) 17. Tutup turbin bawah atau cincin roda pengarah (Lower cover) 21. Cincin labirin kontra (Replaceable wear and labyrinth rings) 22. Batang pengerak (Link) 23. Tuas (Lever) 24. Tabung blok bantalan bawah (Lower bearing for guide vane) 25. Tabung blok bantalan atas (Upper bearing for guide vane) 26. Bearing for the regulating ring 27. Lantai (Floor) 28. Rotating oil cylinder 29. Pipa kuras (Oil scoop fastened to (14a) and (14) with the opening against the rotating oil in rotating oil cylinder (28)) Pada dasarnya aliran air sama seperti pada turbin yang poros horizontal yaitu air masuk melalui pipa ((32)gambar 4.1.2) kemudian masuk ke gatevalve (33), masuk ke rumah keong (1) selanjutnya melalui gate vane dan runner, dibuang melalui draft tube cone (5 dan 5 a ) ke tailrace Komponen Utama Turbin Francis Komponen utama pada Turbin Francis terdiri atas beberapa bagian diantaranya adalah sebagai berikut : 1. Sudu Gerak (runner) Runner merupakan komponen utama dalam turbin Francis. Pada dasarnya runner pada turbin Francis sama persis seperti pompa Francis, perbedaan utamanya adalah fungsi dari keduanya. Turbin Francis berfungsi sebagai penyuplai daya dalam hal ini adalah turbin menghasilkan daya karena menurunkan head tekanan. Sedangkan pada pompa Francis membutuhkan daya untuk menghasilkan head tekanan yang lebih besar. Akan tetapi dalam hal

30 kesebangunan sama antara keduanya. Pada gambar 2.17 dapat dilihat bahwa runner pada turbin ditunjukan pada angka 3 berikut ini. Gambar Runner Dilihat Pada Gambar Potongan ( Pembuatan runner dapat dicor (cast steel) maupun dilas dimana sudu dilas pada hub dan ring. Pada umumnya runner dibuat dengan stainless steel, karena bahan ini sangat kuat terhadap korosi. 2. Guide vane Guide vane merupakan komponen yang berperan dalam pengaturan debit air yang akan masuk ke runner. Hal ini sangat berguna mengingat faktor dari perubahan debit akan dapat mengatur perubahan beban daya yang akan ditanggung oleh sebuah PLTA. Rumus dari daya P ρ.g.h.q.ηt, dari keempat faktor yang dapat mempengaruhi terhadap perubahan daya, hanya debit (Q) yang

31 dapat dengan mudah diubah-ubah. Sehingga dengan mengatur perubahan dari debit (Q) akan menyebabkan terjadinya perubahan daya. Perubahan daya berbanding lurus dengan perubahan debit. Semakin besar debit air yang dialirkan semakin besar pula kapasitas daya yang dihasilkan. Inilah yang dijadikan dasar pembuatan dari guide vane, yang bertugas untuk mengatur kapasitas daya dengan cara mengatur perubahan debit air. 3. Stay Vane Stay vane adalah alat yang berfungsi untuk mengarahkan aliran menuju ke guide vane. Air yang berasal dari spiral case akan masuk melalui stay vane. Aliran yang bagus adalah ketika saluran ini mendapatkan debit yang sama pada seluruh lingkaran penuh. Stay vane berfungsi pula dalam mengarahkan aliran air menuju runner. 4. Spiral Case Spiral case selain berfungsi sebagai meningkatkan kecepatan, berfungsi pula dalam membagi debit agar dapat terbagi secara merata masuk ke dalam stay vane. Penampang spiral case dibuat membesar menuju kearah hulu aliran air, sebab setelah melalui stay vane pada bagian awal air masuk kedalamnya sehingga debit air untuk masuk ke stay vane berikutnya jumlah debit berkurang hingga pada stay vane yang terakhir debit aan habis. Dengan demikian akan dihasilkan arus yang teratur, di dalam setiap lingkaran spiral yang sejajar harus menerima arus yang sama, hal ini dapat diketahui dengan putaran runner yang sama Generator Generator listrik adalah sebuah alat yang menghasilkan energi listrik dari sumber energi mekanik berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik yang ditemukan oleh Faraday. Proses ini dikenal sebagai pembangkit listrik. Walau generator dan motor punya banyak kesamaan, tapi motor adalah alat yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Generator mendorong muatan listrik untuk bergerak melalui sebuah sirkuit listrik eksternal, tapi generator tidak menciptakan listrik yang sudah ada di dalam kabel lilitannya. Hal ini bisa dianalogikan dengan sebuah pompa air, yang menciptakan aliran air tapi tidak

32 menciptakan air di dalamnya. Sumber enegi mekanik bisa berupa resiprokat maupun turbin uap, air yang jatuh melalui sebuah turbin maupun kincir air, mesin pembakaran dalam, turbin angin, engkol tangan, energi surya atau matahari, udara yang dimampatkan, atau apa pun sumber energi mekanik yang lain. Berdasarkan arus keluarannya, generator dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu generator arus searah atau biasa disebut dinamo, dan generator arus bolakbalik atau alternator. Prinsip kerja generator adalah menghasilkan arus listrik induksi dengan cara memutar gelang di antara kutub utara-selatan sebuah magnet. Perbedaan generator arus bolak-balik dan generator arus searah adalah pada cincin luncur yang berhubungan dengan tiap ujung gelung. Pada generator arus searah hanya terdapat sebuah cincin yang terbelah di tengahnya, disebut cincin belah atau komutator. Pada sistem pembangkit listrik biasanya menggunakan generator arus bolak-balik. Berdasarkan kecepatan memutar gelung, generator ini dibagi lagi menjadi generator sinkron dan generator asinkron (generator induksi). Disebut mesin sinkron, baik generator maupun motor karena beroperasi pada kecepatan sinkron, yaitu kecepatan dimana terbentuk medan magnet oleh gelung yang berotasi. Kecepatan sinkron ini dapat diperoleh dari : (2.35) Keterangan : Ns f P = kecepatan sinkron (rpm) = frekuensi (Hz) = jumlah kutub dalam generator Pada generator AC (alternator) pembangkit listrik, magnetlah yang berputar sedangkan kumparannya diam. Magnet yang digunakan bukan magnet permanen melainkan elektromagnet (kumparan yang dililitkan pada inti besi), sehingga medan magnetik yang dihasilkan lebih besar daripada menggunakan magnet permanen.

33 Dalam alternator pembangkit listrik, kumparan yang diam disebut kumparan jangkar, sedangkan kumparan yang bergerak disebut kumparan medan. Kumparan jangkar dan inti besinya disebut stator dan kumparan medan dan inti besinya disebut rotor. Rotor dan turbin memiliki poros yang sama sehingga putaran turbin akan juga memutar rotor. Selain memberi putaran pada rotor, turbin juga memberi tenaga pada sebuah dinamo kecil (disebut exiter) yang berfungsi menyuplai arus listrik ke kumparan medan. Generator induksi adalah generator listrik yang secara mekanis dan elektrik mirip dengan motor induksi. Generator induksi menghasilkan energi listrik ketika porosnya diputar lebih cepat dari kecepatan sinkron yang dimiliki motor induksi setara. Generator induksi sering digunakan untuk turbin angin dan beberapa instalasi mikro hidro karena kemampuannya untuk menghasilkan daya yang bermanfaat pada berbagai kecepatan rotor. Generator induksi secara mekanis dan elektrik lebih sederhana daripada jenis generator lainnya. Generator induksi tidak memiliki exiter seperti pada generator sinkron, artinya generator ini memerlukan pasokan listrik eksternal untuk menghasilkan fluks magnetik yang berputar. Pasokan listrik eksternal ini dapat diperoleh dari jaringan listrik lain ataupun dari generator itu sendiri setelah mulai menghasilkan daya. Fluks magnet berputar dari stator menginduksi arus pada rotor, yang juga menghasilkan medan magnet. Jika rotor ternyata lebih lambat dari laju fluks berputar, mesin bertindak seperti motor induksi. Jika rotor diputar lebih cepat, akan bertindak seperti generator, menghasilkan daya pada frekuensi sinkron. Penggunaan Motor Induksi Sebagai Generator (MISG) telah diterapkan secara luas pada PLTMH dan diakui keandalannya. Meskipun dari segi efisiensi, khususnya pada beban tidak penuh (part load), MISG tidak sebaik generator sinkron, tetapi karena motor induksi banyak tersedia dipasaran dengan range daya yang luas dan konstruksi motor induksi jauh lebih sederhana dibanding generator sinkron sehingga lebih handal terhadap run away speed serta lebih mudah perawatannya. Maka MISG dapat dipakai sebagai alternatif dari generator sinkron untuk pembangkit mikro hidro. Prinsip kerja MISG secara sederhana akan lebih mudah dipahami dari prinsip kerja motor induksi. Apabila motor induksi dihubungkan dengan tegangan tiga fasa, pada kumparan statornya akan timbul

34 medan magnet putar. Kecepatan medan magnet putar (disebut sebagai kecepatan sinkron) tergantung dari frekuensi tegangan listrik yang dihubungkan dan jumlah kutub statornya. Medan magnet putar pada kumparan stator akan memotong batang konduktor pada kumparan rotor, akibatnya pada kumparan akan dibangkitkan tegangan induksi. Pada kumparan rotor, karena batang konduktor (umumnya berupa slot alumunium yang dihubungsingkatkan pada kedua ujungnya) merupakan rangkaian yang tertutup, tegangan induksi pada rotor yang disebabkan oleh medan magnet putar stator akan menghasilkan arus listrik. Interaksi antara medan magnet putar pada stator pada arus rotor akan menimbulkan kopel yang akan memutar rotor searah dengan medan magnet putar pada stator. Seperti yang telah diterangkan di atas, tegangan induksi pada rotor timbul karena terpotongnya batang konduktor pada rotor oleh medan magnet putar, agar tegangan induksi selalu dapat dibangkitkan pada rotor, diperlukan perbedaan relatif antara kecepatan medan magnet putar dengan kecepatan rotor yang biasa disebut sebagai slip. Pada saat beroperasi sebagai motor, motor induksi akan mempunyai slip positif, artinya kecepatan medan magnet putar akan selalu lebih besar daripada kecepatan rotor. Proses yang sebaliknya akan terjadi apabila motor induksi digunakan sebagai generator. Kopel pada rotor digerakan oleh turbin, adanya magnetisasi sisa (remannent magnetism) pada rotor umumnya cukup untuk membangkitkan tegangan awal, seperti halnya prinsip kerja sebagai motor. Agar pada kumparan stator dapat dibangkitkan tegangan listrik diperlukan daya reaktif untuk membangkitkan medan magnet putar. Pada kasus MISG beroperasi sendiri (Isolated Grid) daya reaktif tersebut harus disuplai lewat kapasitor eksitasi. Pada kasus MISG dikoneksikan dengan jaringan listrik lain (Grid Connected) daya reaktif disuplai lewat jaringan tersebut. Kebalikan dari proses sebagai motor, sebagai generator slip yang terjadi haruslah negatif, artinya kecepatan rotor harus selalu lebih besar dari kecepatan medan magnet putarnya. Tidak semua motor induksi cocok digunakan sebagai MISG. Jenis motor yang cocok digunakan untuk MISG adalah jenis sangkar tupai (Squirel Cage Motor). Kelebihan dari MISG daripada generator sinkron adalah sebagai berikut :

35 1. Lebih murah daripada menggunakan generator sinkron terutama untuk keperluan daya yang rendah seperti pada PLTMH karena dapat digunakan motor bekas. 2. Generator ini tidak akan bermasalah apabila kelebihan beban (overload), apabila terjadi kelebihan beban generator ini hanya akan berhenti menghasilkan listrik, apabila beban berlebih dilepaskan maka generator akan bekerja seperti semula. 3. Mudah dibuat dari motor induksi, hanya dengan menyambungkan kapasitor secara paralel ke motor dan dijalankan pada kecepatan lebih tinggi dari rpm yang tertera. Kekurangan MISG dari generator sinkron adalah sebagai berikut : 1. Generator sinkron dapat dibeli dan langsung digunakan, sedangkan MISG memerlukan perhitungan nilai kapasitor sesuai yang akan dipasangkan pada motor. 2. Generator tidak dapat di-start jika dipasangkan beban, generator tidak boleh dipasangkan beban sebelum mencapai kecepatan kerja. 3. Generator ini tidak boleh digunakan untuk mengerakkan motor induksi, karena induktansi tambahan dari motor akan membatalkan reaktansi dari kapasitor dan menyebabkan generator berhenti menghasilkan listrik. Untuk pengujian tidak digunakan MISG karena alasan berikut ini: 1. Sudah ada generator dari Laboratorium Mekanika Fluida sehingga dapat menghemat biaya. 2. Tidak ada motor induksi bekas yang dapat dipakai, sehingga akan lebih mahal jika dibeli motor induksi yang baru. Untuk pengujian MISG kurang efisien untuk digunakan karena untuk putaran rendah tidak dapat menghasilkan listrik.

36 Gambar Generator AC