BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Tinjauan Umum 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. 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. Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head adalah beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar dari kincir air/turbin air.

2 turbin Gambar 2.1 Sketsa tinggi head. Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi potensial air yaitu : dengan E = mgh (2.1) m adalah massa air h adalah head (m) g adalah percepatan gravitasi m 2 s Daya merupakan energi tiap satuan waktu dinyatakan sebagai : E t, sehingga persamaan (2.1) dapat

3 E m = gh (literatur 9) t t Dengan mensubsitusikan P terhadap E dan mensubsitusikan Q t ρ terhadap m maka : t dengan P = ρqgh (2.2) P adalah daya (watt) Q adalah kapasitas aliran m 3 s ρ adalah massa jenis air kg 3 m Selain memanfaatkan air jatuh hydropower dapat diperoleh dari aliran air datar. Dalam hal ini energi yang tersedia merupakan energi kinetik yaitu : dengan 1 E = mv 2 (2.3) 2 v adalah kecepatan aliran air m s Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut : 1 P = ρ Qv 2 (2.4) 2 atau dengan menggunakan persamaan kontinuitas Q = Av maka :

4 dengan P 1 ρ Av 2 3 = (2.5) 2 A adalah luas penampang aliran air ( m ) 2.2 Klasifikasi Turbin Air 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 Impuls Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada 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. Adapun jenis jenis turbin impuls adalah sebagai berikut : 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

5 paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi. Gambar 2.2 Turbin Pelton. Sumber: 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. Gambar 2.3 Turbin Pelton dengan banyak nozle. Sumber. Turbin Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150 meter tetapi untuk skala mikro head 20 meter sudah mencukupi.

6 2) Turbin Turgo. Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozle membentur sudu pada sudut 20 o. Kecepatan putar turbin turgo lebih besar dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan. Gambar 2.4 Sudu turbin turgo dan nozzle. Sumber: 3) Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow (Turbin Michell-Banki). Pada turbin impuls pelton beroperasi pada head relatif tinggi, sehingga pada head yang rendah operasinya kurang efektif atau efisiensinya rendah. Karena alasan tersebut, turbin pelton jarang dipakai secara luas untuk pembangkit listrik skala kecil. Sebagai alternatif turbin jenis impuls yang dapat beroperasi pada head rendah adalah turbin crossflow atau turbin impuls aliran ossberger. Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 litres/sec hingga 10 m 3 /sec dan head antara 1 s/d 200 m. Komponen komponen utama konstruksi turbin crossflow adalah sebagai berikut :

7 1. Rumah Turbin. 2. Alat Pengarah (distributor). 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 melalui sudu-sudu. Jadi perubahan energi aliran air menjadi energi mekanik putar terjadi dua kali yaitu pada waktu air masuk silinder dan air keluar silinder. Energi yang diperoleh dari tahap kedua adalah 20%nya dari tahap pertama. Gambar 2.5 Konstruksi turbin ossberger atau turbin crossflow. Sumber: 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. Turbin crossflow menggunakan nozle persegi

8 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 2.6 Aliran masuk turbin ossberger atau turbin crossflow. Sumber: 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. Proses ekspansi fluida kerja pada turbin reaksi terjadi pada sudu tetap dan sudu geraknya. Air mengalir memasuki roda turbin melalui sudu - sudu pengarah dengan tekanan yang tinggi. Pada saat air yang bertekanan tersebut mengalir kesekeliling sudu - sudu, runner turbin akan berputar penuh. Energi yang ada pada air akan berkurang ketika meninggalkan sudu. Energi yang hilang

9 tersebut telah diubah menjadi energi mekanis oleh roda turbin. Dilihat dari konstruksinya, turbin reaksi ada dua jenis: 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 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. 2. Turbin Kaplan. Gambar 2.7 Turbin Francis Sumber. Tidak berbeda dengan turbin francis, turbin kaplan cara kerjanya menggunakan prinsip reaksi. Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan baling-baling pesawat terbang. 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

10 turbin. Berbeda dengan roda jalan pada francis, sudu-sudu pada roda jalan kaplan dapat diputar posisinya untuk menyesuaikan kondisi beban turbin. 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. Gambar 2.8 Turbin Kaplan dengan sudu jalan yang dapat diatur. Sumber :

11 Diagram klasifikasi turbin air dapat dilihat pada gambar dibawah ini. Turbin pelton Turbin impuls Turbin turgo Turbin ossberger Turbin Air Turbin francis Turbin reaksi Turbin kaplan Gambar 2.9 Diagram klasifikasi turbin air. 2.3 Perbandingan Karakteristik Turbin Perbandingan karakteristik turbin dapat kita lihat pada grafik head (m) vs flow (m 3 /s) di bawah ini. Grafik 2.1 Perbandingan karakteristik Turbin. Sumber :

12 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. 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. Aplikasi penggunaan turbin berdasarkan tinggi head yang didapatkan adalah sebagai berikut ini : 1) Turbin Kaplan : 2 < H < 100 meter

13 2) Turbin Francis : 5 < H < 500 meter 3) Turbin Pelton : H < 30 meter 4) Turbin Banki : 2 < H < 200 meter 2.4 Kecepatan spesifik turbin Kecepatan spesifik (ns), menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak berhubungan dengan ukurannya. Hal ini menyebabkan desain turbin baru yang diubah skalanya dari desain yang sudah ada, dengan performa yang sudah diketahui. Kecepatan spesifik merupakan kriteria utama yang menunjukkan pemilihan jenis turbin yang tepat berdasarkan karakteristik sumber air. Kecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan sebagai kecepatan ideal, persamaan geometris turbin, yang menghasilkan satu satuan daya tiap satu satuan head. Kecepatan spesifik turbin dapat diartikan sebagai titik efisiensi maksimum. Perhitungan tepat ini menghasilkan performa turbin dalam jangkauan head dan debit tertentu. Kecepatan spesifik juga merupakan titik awal dari analisis desain dari sebuah turbin baru. Setelah kecepatan spesifik yang diinginkan diketahui, dimensi dasar dari bagian - bagian turbin dapat dihitung dengan mudah. Keluaran turbin dapat diperkirakan berdasarkan dari test permodelan. Replika miniatur dari desain yang diusulkan, diameter sekitar satu kaki (0,3 m), dapat diuji dan hasil pengukuran laboratorium dapat digunakan sebagai kesimpulan dengan tingkat keakuratan yang tinggi.

14 Debit yang melalui turbin dikendalikan dengan katub yang besar atau pintu gerbang yang disusun diluar sekeliling pengarah turbin. Perubahan head dan debit dapat dilakukan dengan variasi bukaan pintu, akan menujukkan efisiensi turbin dengan kondisi yang berubah-ubah. Kecepatan spesifik dapat dihitung dengan menggunakan rumus : 3,65. nt Q ns = (literatur 6) 3 4 H Dengan : n t = putaran turbin (rpm) Q = kapasitas aliran (m 3 /s) H = tinggi air jatuh (m) g = percepatan graviatsi (m/s 2 ) Perbandingan bentuk sudu turbin terhadap kecepatan spesifik turbin adalah sebagai berikut ini : Gambar 2.10 Perbandingan bentuk sudu turbin berdasarkan kecepatan spesifik. Sumber : European Community's Layman's Guidebook (on how to develop a small hydro site) Berdasarkan gambar 2.10, semakin tinggi n s maka bentuk sudu turbin akan semakin kecil dan tinggi head semakin rendah. Pada bab IV, diperoleh nilai n s

15 sebesar 56,61 rpm, maka berdasarkan gambar 2.10 bentuk sudu turbin yang dipilih adalah bentuk pertama. 2.5 Pemeliharaan (maintenance) Turbin didesain untuk bekerja dalam jangka waktu puluhan tahun dengan sangat sedikit pemeliharaan pada elemen utamanya, interval pemeriksaan total (overhaul) dilakukan dalam jangka waktu beberapa tahun. Pemeliharaan dilakukan pada sudu, pengarah dan part lain yang bersentuhan dengan air termasuk pembersihan, pemeriksaan dan perbaikan part yang rusak. Keausan umumnya terjadi pada lubang akibat kavitasi, retakan dan pengikisan dari benda padat yang tercampur dalam air. Elemen baja diperbaiki dengan pengelasan, umumnya dengan las stainless steel. Area yang berbahaya dipotong atau digerinda, kemudian dilas sesuai dengan bentuk aslinya atau dengan profil yang diperkuat. Sudu turbin tua mungkin akan mempunyai banyak tambahan stainless steel hingga akhir penggunaannya. Prosedur pengelasan yang rumit mungkin digunakan untuk mendapatkan kualitas perbaikan terbaik. Elemen lainnya yang membutuhkan pemeriksaan dan perbaikan selama pemeriksaan total yaitu : bantalan, kotak paking dan poros, motor servo, sistem pendingin untuk bantalan dan lilitan generator, cincin seal, elemen sambungan gerbang dan semua permukaan. 2.6 Pengaruh pada lingkungan Turbin air mempunyai pengaruh positif dan negatif bagi lingkungan. Adapun pengaruh positif yaitu :

16 1) Turbin adalah salah satu penghasil tenaga terbersih, menggantikan pembakaran bahan bakar fosil dan menghapuskan limbah nuklir. 2) Turbin menggunakan energi yang dapat diperbarui dan didesain untuk beroperasi dalam jangka waktu puluhan tahun. 3) Turbin memproduksi sumber energi listrik dunia dengan jumlah yang besar. Adapun pengaruh negatif dari pembangunan turbin adalah : putaran sudu atau gerbang pengarah dari turbin air dapat mengganggu ekologi natural sungai, membunuh ikan, menghentikan migrasi dan menggangu mata pencaharian manusia. Contohnya : suku Indian Amerika di Northwest Pasific mempunyai mata pencaharian memancing ikan salmon, tapi pembangunan dam secara agresif menghancurkan jalan hidupnya. 2.7 Turbin Aliran Silang Turbin aliran silang yang pertama disebut turbin banki, ini berbentuk skripsi yaitu tahun 1949 oleh State University di Oregon. Sedangkan publikasi mengenai rancangan bangunan baru dimulai tahun 1967 oleh suatu badan yang diberi nama VITA. Namun demikian, jauh sebelumnya turbin jenis ini telah diproduksi oleh suatu pabrik yakni Ossberger di Jerman. Konstruksi Turbin Ossberger mirip dengan separuh pompa keong. Disini air masuk menuju roda turbin vertical terhadap lantai pondasi. Menurut propagadis turbin ini bereffisiensi 74% - 84% dan menjamin operasinya 80%. Apabila diperhatikan dengan cermat bagian bagian dan rakitan turbinnya masih terlalu rumit untuk memperoleh daya yang kecil.

17 Turbin aliran silang ini akhirnya lebih akrab kepada masyarakat pedesaan dengan segala aspek kesederhanaannya. Hal ini telah dibuktikan oleh beberapa badan kerja sama SKAT Switzerland/BYS Nepal, GATE Jerman/BEW Nepal, GATE Jerman/CITA Equador dan ATD Pakistan, semenjak tahun 1975 lebih dari 500 unit telah dipasang dinegara ketiga tersebut. Turbin aliran silang yang direncanakan ini dirancang dengan menggunakan rumah turbin yang sedemikian rupa dalam bentuk yang sederhana sehingga mudah diangkut dan dipasang. Pada turbin ini digunakan sebuah katup (valve) yang berbentuk khusus yang berfungsi untuk mengatur arah dan kapasitas aliran air. Menurut arah aliran airnya turbin ini dapat dibedakan atas dua jenis yaitu : 1) Turbin aliran silang jenis vertical Dimana air dialirkan melaului pipa pesat dengan posisi vertical terhadap rumah turbin dan mendorong karangan sudu hingga roda jalan turbin berputar dan ini berlangsung secara kontinu. Gambar 2.11 Turbin Aliran Silang Jenis Vertical. 2) Turbin aliran silang jenis horizontal Dimana aliran air dialirkan melalui pipa pesat dalam posisi horizontal terhadap rumah turbin dan menyembur / mendorong karang sudu hingga roda jalan turbin berputar.

18 Gambar 2.12 Turbin Aliran Silang Jenis Horizontal 2.8 Pengertian nosel dan diffuser Nosel dan difuser pada umumnya digunakan pada mesin jet, roket, pesawat udara dan lain-lain. Nosel adalah alat untuk meningkatkan kecepatan fluida dan menurunkan tekanan. Difuser adalah kebalikan dari nosel yaitu sebuah alat untuk menaikkan tekanan dan menurunkan kecepatan fluida. Luas penampang nosel mengecil dengan arah aliran dan sebaliknya luas penampang difuser membesar dengan arah aliran fluida. Nosel dan difuser di atas adalah untuk fluida dengan kecepatan subsonik, jika untuk kecepatan supersonik maka bentuknya merupakan kebalikannya. Hal-hal penting yang berhubungan dengan persamaan energi untuk nosel dan difuser adalah sebagai berikut : 1) Q 0. Rate perpindahan panas antara fluida yang melalui nosel dan difuser dengan lingkungan pada umumnya sangat kecil, bahkan meskipun alat tersebut tidak diisolasi. Hal tersebut disebabkan karena kecepatan fluida yang relatif cepat. 2) W = 0. Kerja untuk nosel dan difuser tidak ada, karena bentuknya hanya berupa saluran sehingga tidak melibatkan kerja poros ataupun kerja listrik.

19 3) ke 0. Kecepatan yang terjadi dalam nosel dan difuser adalah sangat besar, sehingga perubahan energi kinetik tidak bisa diabaikan. 4) pe 0. Pada umumnya perbedaan ketinggian ketika fluida mengalir melalui nosel dan difuser adalah kecil, sehingga perubahan energi potensial dapat diabaikan. 2.9 Posisi Penyemburan Terhadap Sumbu Roda Jalan Telah diuraikan bahwa energi potensial air telah dirubah melalui penyembur menjadi energi kinetik pada sudu atau tenaga putar roda jalan. Daya keluaran ini sangat dipengaruhi oleh komponen komponen kecepatan memasuki sudu sudu, juga telah dinyatakan c 1 = 2(u 1 /cosα 1 ) untuk α 1 = 15 0 harga ini tidak jauh berubah c 1 = 2,07u 1 hal ini berarti saat berikutnya c 1 kembali memasuki sudu yang lain berlawanan arah, keluar dari sisi masuk kali ini sebagai w 1. Disatu sisi keadaan ini menguntungkan yaitu dapat memanfaatkan secara maksimal energi air. Disisi lain akan merugikan karena kecepatan c 1 menimbulkan arus putar balik (tahanan) yang seharusnya menuju pipa lepas. Kajian ini untuk menetapkan posisi terbaik dari penyembur terhadap sumbu poros. Posisi penyemburan terhadap sumbu roda jalan dapat dibedakan atas tiga jenis yaitu : 1) Posisi vertikal. Sisi masuk vertikal membentuk sudut 90 0 dengan lantai. Dilukiskan kecepatan aliran keluar roda jalan sebagai keadaan penuh pada keadaan normal dan garis terputus putus untuk kecepatan lebih. Kedua garis ini membentuk arus

20 pusar pada posisi setengah ( 1 / 2 ) belahan roda jalan (u 1 = ½ c 1 ). Arus pusar ini merupakan tahanan geser antara lapisan tangensial dan sebagian lainnya menumbuk dinding setelah terbuang ke pipa lepas. Gambar 2.13 Posisi Penyemburan Vertical 2) Posisi Horizontal. Dari segi pengaruh komponen keceptan dari roda jalan meskipun persis berada diatas pipa lepas tetapi masih terjadi arus pusar pada dinding belakang. Pada kecepatan arus normal terjadi pula arus perlawanan dari sisi depan poros dengan meniadakan letak pipa. Di lapangan sisi masuk tertentu lebih banyak digunakan. Gambar 2.14 Posisi Penyemburan Horizontal 3) Posisi miring. Bedasarkan kedua kasus diatas diantara sudut miring antara lukisan lapis kecepatan pada sisi masuk normal maupun pada kecepatan lebih,

21 kedudukan terbaik adalah membentuk Pada sisi ini komponen kecepatan c 1 berubah menjadi w 1 dan w 2. Pusaran liar tetap ada, tetapi kedudukan lapis telah menjauhi roda turbin atau jatuh ke pipa lepas dengan tambahan gaya berat sendiri. Lebih besar dari 30 0 kecendrungan terjadinya arus pusar diantara roda jalan dan dinding mulai terlihat. Gambar 2.15 Posisi Penyemburan Miring 2.10 Katup Adapun posisi katup pada nosel turbin air aliran silang dapat dilihat pada gambar di bawah ini. Gambar 2.16 Posisi katup pada nosel turbin air aliran silang.

22 2.11 Lengkung Masuk Air aliran masuk turbin melalui pipa pesat berpenampang bulat dan adaptor, tempat perubahan penampang lingkaran menjadi persegi panjang, menjelang masuk rumah turbin. Sebelum mencapai raner turbin, sekali lagi aliran disesuaikan agar masing masing memenuhi dengan tepat persyaratan spesifik seperti : 1) Kecepatan masuk mutlak, c 0 yang benar 2) Sudut masuk mutlak, α 0 yang benar Pada gambar 2.17 terlihat penampang aliran yang berbeda beda di sepanjang lintasannya dari pipa pesat sampai rumah turbin. Sisi pemasukan turbin melayani penyesuaian aliran aliran di akhir adaptor persegi menjadi pola aliran yang optimal di luasan masuk raner. Gambar 2.17 Aneka Penampang Aliran Di Sisi Masuk Turbin

23 Gambar 2.18 Pola Aliran Masuk Turbin Gambar 2.18 memperlihatkan pola aliran yang dimaui, dimana semua garis arus di sembarang jari jari mempunyai kecepatan dan sudut masuk yang tepat sedemikian sehingga, berlaku ketentuan : r c u = konstan (Literatur 6 hal 20) Apabila ketentuan ini terpenuhi, semua garis arus akan memasuki raner di R 1 dengan komponen kecepatan di arah keliling, c uo yang sama.dan bila di akhir sisi masuk seluruh energi tekanan telah diubah menjadi energi kinetis, maka kecepatan mutlak, c 0 masing masing garis arus menjelang R 1 menyerupai kecepatan pancar bebas. C 0 = (2gH) 1/2 (Literatur 6 hal 20) Bila c u dan c berharga tetap di sepanjang busur pemasukan dengan jari jari R 1, maka sudut kecepatan mutlak, α 0 di sisi masuk turbin juga konstan. Karena itu lengkung garis arus idealnya berupa garis yang membentuk sudut yang konstan, antara garis singgung suatu titik pada lengkung pemasukan dengan vektor jari jarinya ke pusat lengkung tersbut. (Gambar 2.19)

24 Gambar 2.19 Lengkung Pemasukan Ideal Bersudut Konstan Satu satunya lengkung yang mempunyai sifat istimewa seperti yang dimaksudkan adalah spiral logaritmik. Spiral logaritmik dinyatakan dengan rumus: r = e φ kφ k = cot k (Literatur 6 hal 20) (k > 0) dimana : r φ = jarak suatu titik pada spiral dari pusatnya e = bilangan logaritma alami = 2,7183 k = kotangen sudut antara garis singgung terhadap spiral logaritmik dengan vektor jari jari ke pusat spiral φ = sudut [rad] antara dua titik pada spiral dengan pusat spiral

25 Gambar 2.20 Rancangan Spiral Logaritmik Pemasukan Geometri Sudu 2.12 Diameter Dan Lebar Raner Luas pemasukan aliran adalah hasil kali lebar raner, b 0, dengan panjang busur pemasukan, L. (Gambar 2.21) A = b 0. L (Literatur 6 hal 21) dimana : A = Luas penampang pipa pancar (m 2 ) b 0 L = Lebar pipa pancar (m) = Panjang busur pemasukan (m) L ditentukan oleh busur pemasukan, φ ( 0 ), dan diameter raner, D 1 = 2.R 1 2. R.. = 1 π φ L (Literatur 6 hal 21) 360 Dengan tinggi terjun tertentu, luas pemasukan tergantung kepada kebuthan debit aliran. Q = A.v (Literatur 6 hal 21)

26 dimana: Q = Debit air atau laju aliran (m 3 /dtk) A = Luas penampang pipa pancar (m 2 ) v = kecepatan aliran (m/dtk), tegak lurus terhadap luasan pemasukan Komponen kecepatan yang berarah tegak lurus terhadap luasan pemasukan adalah komponen kecepatan mutlak di arah bujur, c m. Sehingga dengan demikian maka : Q = A. c m (Literatur 6 hal 21) Komponen kecepatan di arah bujur ini dapat dinyatakan sebagai : c m = c. sin α (Literatur 6 hal 21) dimana : Q = Debit air atau laju aliran (m 3 /dtk) A = Luas penampang pipa pancar (m 2 ) c m c α = Komponen kecepatan mutlak di arah bujur = Kecepatan mutlak = Sudut kecepatan mutlak Bila kecepatan pancar bebas, dengan mengabaikan kerugian tinggi terjun akibat gesekan aliran, menggantikan kecepatan mutlak, maka : c = 2. g. H (Literatur 7 hal 52) dimana: c g H = Kecepatan mutlak = Percepatan gravitasi (m/dtk2) = Tinggi air jatuh (m)

27 Menggunakan hubungan tersebut diatas, debit air masuk turbin dapat dinyatakan dengan : Q = AC. Q = b L. C 0. b0. 2R1. π. φ. C Q = 360 (Literatur 7 hal 52) b0. 2R1. π. φ. C Q = 360 b Q = 0. 2R1. π. φ. 2. g. H 360 Persamaan diatas ini memuat semua besaran yang berpengaruh terhadap debit aliran masuk turbin, yaitu : b 0 R 1 φ H 1/2 = Lebar pemasukan = Jari jari lingakaran luar raner = Sudut busur pemasukan = akar tinggi air jatuh netto Juga menjadi jelas bahwa baik lebar pemasukan maupun jari jari raner berpengaruh secara linear terhadap besar debit aliran. Dengan kata lain, suatu turbin dengan lebar pemasukan, b 0 = 300 mm dan diameter raner, D = 400 mm, mempunyai debit yang sama besar dengan turbin berdiameter, D = 300 mm dengan lebar pemasukan b 0 = 400 mm. Ini menyebabkan kedua turbin bekerja dengan tinggi terjun dan busur pemasukan bersih yang sama. Walaupun kecepatan keliling kedua turbin sama, akan tetapi karena berbeda diameter maka kecepatan masing masing tidak sama.

28 Gambar 2.21 Luasan Pemasukan Aliran Turbin Aliran Silang