BAB II LANDASAN TEORI 1.1 Turbin Air Turbin air adalah turbin dengan media kerja air. Secara umum, turbin adalah alat mekanik yang terdiri dari poros dan sudu-sudu. Sudu tetap atau stationary blade, tidak ikut berputar berputar bersama poros, berfungsi mengarahkan aliran fluida. Sedangkan sudu putar atau rotary blade, mengubah arah dan kecepatan aliran fluida sehingga timbul gaya yang memutar poros. Air biasanya dianggap sebagai fluida yang tak kompresibel, yaitu fluida yang secara virtual massa jenisnya tidak berubah dengan tekanan. Teori turbin air bertujuan terutama untuk mendapatkan unjuk kerja optimum dalam pemanfaatan energi air pada suatu kondisi operasi tertentu. Formula yang digunakan kebanyakan diperoleh secara empiris, berdasarkan pengalaman, eksperimen atau analisis dimensi. Dasar kerja turbin air sangat sederhana yaitu mengubah energi kinetik menjadi energi mekanik yang diketemukan sebelum dimulainya tahun masehi. Teknologi ini merupakan perkembangan dari kincir air. Perbedaan utamanya antara kincir air dan turbin air adalah bahwa kincir air hanya mengubah kecepatan aliran, sedangkan turbin air mengubah arah dan kecepatan aliran. II-4
II-5 1 4 2 3 Gambar 2.1. Instalasi turbin air Pada umumnya turbin air terdiri dari (1) dam (bendungan), (2) pipa pesat, (3) runner (roda jalan), dan (4) generator, seperti yang ditunjukan pada gambar 2.1. Penggunaan turbin air kebanyakan untuk pembangkit tenaga sebagai penggerak generator seperti pada PLTA ( Pembangkit Listrik Tenaga Air ), karena mempunyai karakteristik yang cukup memenuhi persyaratan sebagai pembangkit tenaga modern. Persyaratan yang dimaksud adalah: 1. Efisiensi yang baik dan tidak banyak berubah untuk beban yang bervariasi 2. Putaran yang cukup tinggi, sehingga dapat dikopel langsung dengan generator 3. Dapat dikonstruksikan dengan poros horizontal atau vertical 4. Dapat memanfaatkan beda ketinggian permukaan air yang sangat bervariasi dan kapasitas aliran dari yang sangat kecil sampai dengan yang sangat besar. Pada PLTA, tinggi rendahnya putaran sangat berpengaruh terhadap ukuran turbin maupun generatornya dan secara tidak langsung berpengaruh juga terhadap harga dan biaya instalasi. [1]
II-6 1.1.1 Klasifikasi Turbin Air Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, namun yang paling utama adalah klasifikasi turbin air berdasarkan cara turbin air tersebut merubah energi potensial menjadi energi mekanik. Berdasarkan klasifikasi ini, maka turbin air dibagi menjadi dua yaitu: 1. Turbin impuls 2. Turbin reaksi 1.1.1.1 Turbin Impuls Ciri utama dari turbin jenis impuls adalah tekanan jatuh hanya terjadi pada sudu tetap dan tidak terjadi pada sudu berputar. Pada turbin air jenis impuls, misalkan turbin Pelton, air tidak memenuhi saluran. Oleh karena itu persamaan kontinuitas tidak dapat diterapkan. Energi fluida masuk sudu gerak, dalam bentuk energi kinetik pancaran air yang dihasilkan oleh nosel. Pada bucket, energi air diubah menjadi energi mekanis putaran poros dan sebagian hilang antara lain karena perubahan arah aliran, gesekan serta sisa kecepatan yang keluar bucket dan tidak dapat dimanfaatkan. Turbin impuls atau turbin aksi disebut turbin tak bertekanan karena sudu gerak beroperasi pada tekanan atmosfer. Banyak turbin air jenis impuls yang pernah dibuat, namun yang masih banyak ditemukan pada saat sekarang adalah turbin Pelton dengan bentuk bucket yang terbelah ditengah seperti pada gambar 2.2. Posisi poros dapat dibuat tegak (vertikal) atau mendatar (horisontal). Selain itu ada juga jenis turbin Banki. Turbin impuls sesuai untuk pemanfaatan sumber air yang memiliki ketinggian permukaan yang besar, tetapi dengan debit yang kecil. Menurut sumber beda ketinggian yang paling sesuai berkisar diantara 350 meter sampai maksimum beda ketinggian yang ada, sekiar 1800 meter. Tetapi secara teoritis mampu untuk beda ketinggian yang lebih besar lagi. [1]
II-7 Gambar 2.2 Turbin Pelton [1] Turbin Flow Through atau turbin Banki biasanya digunakan untuk pembangkit yang menghasilkan kapasitas daya yang relatif kecil. Sedangkan turbin Pelton biasanya digunakan untuk pembangkit yang menghasilkan daya relatif besar. Jumlah nozel biasanya berjumlah 1 atau lebih dari 1 nozel dan posisi porosnya dapat tegak atau mendatar. Turbin Banki dapat dikategorikan sebagai peralihan dari kincir air jenis impuls. Turbin Banki dengan roda aliran radial bertekanan atmosfer, menghasilkan daya dari energi kinetik pancaran air. Putaran karakteristik dari turbin jenis ini berada di antara turbin air tangensial jenis Pelton dan turbin Francis aliran campuran. Seperti turbin air pada umumnya, turbin Banki terdiri dari dua bagian, yaitu nosel dan runner. 1.1.1.2 Turbin Reaksi Ciri turbin reaksi pada semua jenis turbin baik turbin uap, turbin gas, maupun turbin air adalah bahwa sebagian dan tekanan jatuh terjadi pada sudu tetap dan sebagian lagi pada sudu berputar. Persamaan kontinuitas dapat digunakan pada perhitungan aliran melalui sudu berputar, karena seluruh fluida kerja memenuhi seluruh saluran sudu. Karena fluida masuk sudu berputar melalui seluruh tepi seksi
II-8 masuk, maka untuk daya dan putaran yang sama, diameter nominalnya relatif lebih kecil dibandingkan dengan turbin impuls. Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir. Hampir semua dari jenis turbin ini beroperasi didalam air, oleh karena itu pada bagian masuk dan keluar turbin mempunyai tekanan yang lebih besar dari tekanan udara luar. Arah aliran masuk runner dapat diatur oleh sudu pengatur dan disebut juga sebagai sudu pengarah atau stationary blade untuk memperoleh arah yang sebaikbaiknya untuk menghasilkan efisiensi yang maksimal. Contoh turbin reaksi adalah turbin Francis, turbin Propeller, dan turbin Kaplan. Turbin Francis mengalami perkembangan dari bentuk semula yang berupa turbin aliran radial masuk yang murni. Tepi seksi masuk dan seksi keluar sejajar sumbu rotasi. Turbin ini mempunyai kelemahan bahwa diameter dalam terlalu besar. Turbin Francis yang dimodifikasi dan masih bertahan sampai saat sekarang adalah turbin Francis dikenal ada tiga jenis yaitu turbin putaran rendah ( beda ketinggian antara 280 sampai 400 meter), turbin putaran sedang ( beda ketinggian antara 100 sampai 280 meter), dan turbin dengan putaran tinggi ( beda ketinggian antara 35 sampai 100 meter). [1] Turbin Propeller yang sesuai untuk beda ketinggian rendah ( dibawah 35 meter), mempunyai sudu gerak yang dapat berjumlah 3, 4, 5, 6, atau 8. Sudu gerak ini sering disebut wing, fin, propeller atau rotary blade. Turbin propeller sebenarnya sama dengan turbin Kaplan, hanya ada sedikit perbedaan, yaitu bahwa turbin Propeller mempunyai wing yang tetap sedangkan turbin Kaplan mempunyai wing yang dapat diatur. Pengaruh dari wing yang dapat diatur posisinya ini adalah bahwa turbin Kaplan mempunyai efisiensi yang tidak banyak berubah pada beban parsial. Namun tentu saja lebih mahal harganya.
II-9 Pada umumnya turbin reaksi mempunyai efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan turbin impuls. Tetapi bila ukuran turbin terlalu kecil (< 0,5m) maka turbin impuls menjadi yang lebih baik efisiensinya. Hal ini disebabkan karena kebocoran relatif yang menjadi besar dan juga kerugian gesek pada saluran yang kecil akan meningkat. 1.2 Kriteria Pemilihan Jenis Turbin Pemilihan tipe turbin air yang akan digunakan sesuai dengan kebutuhan yang kita inginkan, tentu saja tipe turbin air tersebut memiliki kelebihan dan kekurangan. Berikut ini adalah beberapa faktor yang mempengaruhi bentuk atau tipe turbin air: 1. Head ( H ) atau ketinggian permukaan air 2. Debit ( Q ) atau kapasitas air 3. Kecepatan putaran ( n ) 4. Kecepatan spesifik ( n q )
II-10 Gambar 2.3 Hubungan antara D 1 dan b 1 pada perencanaan luas penampang 1.2.1 Head ( H ) Dari suatu tinggi air jatuh bisa diperoleh daya spesifik yang dihasilkan turbin, bisa dengan harga yang kecil dan yang besar atau sebaliknya. Tetapi tergantung pada diameter D 1 (gambar 2.3) dan kecepatan putar roda turbin n. Tabel 2-1 Pengaruh head terhadap jenis turbin Turbin Prinsip Runner Impuls Reaksi Tekanan Head Tinggi Sedang Rendah Pelton Turgo Crossflow Turgo Crossflow Pelton Multi Jet Pelton Multi Jet Francis pump as turbin (PAT) Propeller Kaplan 1.2.2 Debit ( Q ) Luas penampang saluran A1 tergantung kepada kapasitas aliran air. Dari persamaan kontinuitas, dimana pada roda turbin. Jadi disini ada hubungannya dengan diameter roda turbin, yang berarti ada juga pengaruhnya terhadap besarnya u1. Dengan pemilihan lebar b berarti diameter roda D tertentu dan dengan demikian bentuk roda turbin juga tertentu. 1.2.3 Kecepatan Putaran ( n ) Dalam pemilihan kecepatan putaran sedapatnya ditentukan setinggi mungkin, karena dengan kecepatan putar yang tinggi akan didapat momen punter yang kecil, poros yang kecil, dan diameter roda turbin yang kecil serta ukuranukuran bagian mesin yang lainnya kecil.
II-11 1.2.4 Kecepatan Spesifik ( n q ) Kecepatan spesifik n q dipakai sebagai tanda batasan untuk membedakan tipe roda turbin dan dipakai ssebagai suatu besaran yang penting dalam merencanalan turbin air dapat dilihat pada gambar 2.4. n: Kecepatan putar (jumlah putaran /menit) turbin yang ditentukan (1/menit) V : Kapasitas air (m 3 /s) H : Tinggi jatuh air (m) Gambar 2.4 Daerah penggunaan jenis turbin
Gambar 2.5 Harga perkiraan untuk menentukan ukuran utama turbin Kaplan II-12
II-13 Tabel 2-2 Jenis turbin Jenis Turbin kecepatan spesifik, ns (rpm) Efisiensi, ɳT (%) Tinggi air jatuh, H (m) Impuls (pelton) 2 45 85 90 2000-100 Francis 45 100 90 94 100-18 Propeller 100 300 94 85 180-20 1.3 Daya Turbin Dari kapasitas air Q dan tinggi air jatuh H dapat diperoleh daya yang dihasilkan turbin Dimana : P: daya (watt) ρ : massa jenis air ( kg/m 3, ρ air = 1000 kg/m 3 ) g : gravitasi (m/detik 2 ) H: ketinggian air (m) Q : kapasitas air/ debit ( m 3 /detik) Bila massa aliran ( m ) dan tinggi air jatuh telah diketahui, maka daya yang dihasilkan Dimana : m : massa aliran
II-14 1.4 Kapasitas aliran Kapasitas air yang mengalir merupakan pengaruh dari luas penampang dan kecepatan aliran. Dengan diketahui luas penampang saluran A dan kecepatan aliran c, maka kapasitas air yang mengalir Q adalah 1.5 Turbin Kaplan Pada tahun 1913 victor Kaplan membuat turbin Kaplan, sebuah tipe mesin baling-baling. Ini merupakan evolusi dari turbin Francis tetapi dikembangkan dengan kemampuan sumber air yang mempunyai head kecil. Gambar 2.6 Instalasi turbin Kaplan 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 turbin. Berbeda dengan roda
II-15 jalan pada turbin Francis, sudu-sudu pada roda jalan Kaplan dapat diputar posisinya untuk menyesuaikan kondisi beban turbin. Turbin Kaplan banyak dipakai pada instalasi pembangkit listrik 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 beban tidak penuh turbin Kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi, hal ini dikarenakan sudu-sudu turbin Kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban yang ada. Biasanya turbin Kaplan beroperasi pada head yang rendah dengan debit air yang tinggi atau bahkan beroperasi pada debit air yang sangat rendah. Hal ini karena sudu-sudu turbin Kaplan dapat diatur secara manual atau otomatis untuk merespon perubahan debit air. Berkebalikan dengan turbin Kaplan, turbin Pelton adalah turbin yang beroperasi dengan head tinggi dengan debit air 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. 1.5.1 Konstruksi runner turbin Kaplan Dalam merancang sebuah runner turbin Kaplan ada beberapa bagian yang harus di ketahui nilainya, seperti diameter hub, lebar poros dan lebar blade. Kecepatan aliran Kecepatan aliran yang dimaksud adalah kecepatan aliran air yang mengalir dan membentur pada blade sehingga menghasilkan putaran. Karena turbin air mengubah energi kinetik menjadi energi mekanik maka dalam perhitungan kecepatan aliran menggunakan rumus Dimana :
II-16 V: kecepatan aliran air (m/s 2 ) g: gravitasi (m/s 2 ) (9,81m/s 2 ) H: head (m) Diameter keseluruhan (D 1 ) * Setelah mendapatkan kecepatan maka hasilnya dikalikan dengan U 1 yang didapat dari grafik untuk mendapatkan nilai dari diameter keseluruhan (D 1 ). C Dimana : Diameter Leher poros (D N ) Dimana: U 1 *, U N *, c m * pengarah didapat dari grafik hasil dari perhitungan kecepatan spesifik pada gambar 2.5. Dari ketentuan dimensi maka kecepatan meridian c 2m =c 2 pada bagian keluar roda jalan sama dengan kecepatan masuk ke pipa isap.
II-17 ( ) Segitiga kecepatan didapat dari: ( ) Dengan c u2 = 0 karena c 2 adalah pengeluran yang tegak lurus maka didapat kecepatan absolut. Kecepatan absolut Dimana: ( ) Dengan demikian bagan segitiga kecepatan bagian tengah sudu bisa digambar. Kemudian menentukan kecepatan absolut pada leher poros menggunakan rumus yang sama dimana: digambar. Dengan demikian bagan segitiga kecepatan bagian leher poros bisa Kemudian menentukan kecepatan absolut pada bagian luar dimana: Dengan demikian bagan segitiga kecepatan bagian luar bias digambar. jalan Kemudian menghitung pembagian tinggi jatuh pada bagian tengah roda Tinggi air jatuh pada sudu pengarah:
II-18 Tinggi air jatuh pada roda jalan: Didalam pipa isap: ( ) Jumlah seluruhnya adalah Kemudian menghitung gaya tangensial T dan gaya aksial S ( ) Dimana : Harga D dalam hal ini diambil dari harga D M ( ) B adalah jumlah keseluruhan lebar sudu yang didapat dari c m = c 2 adalah kecepatan air melalui seluruh penampang. Perhitungan pembanding: Daya yg dihasilkan Dimana: Gaya geser aksial ( ) ( )