BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Turbin Air Turbin air termasuk dalam kelompok mesin fluida yaitu, mesin yang berfungsi untuk mengubah energi fluida (energi potensial dan energi kinetis air) menjadi energi mekanis atau sebaliknya. Mesin ini berfungsi untuk mengubah energi fluida menjadi energi mekanis pada poros. misalnya : turbin air, turbin uap, turbin gas, kincir air, kincir angin dan lainnya. Pompa, kompresor, blower, fan dan lain-lain berfungsi untuk mengubah energi mekanis pada poros menjadi energi fluida (energi potensial dan energi kinetis). Menurut sejarahnya, turbin-turbin air yang sekarang berasal dari kincirkincir air pada zaman abad pertengahan yang dipakai untuk memecah batubara dan pabrik gandum. Salah satu kincir air tersebut dapat dilihat di Aungrabad, India yang telah berumur 400-an tahun. Walaupun banyak terdapat desain turbin hidrolik dengan masing-masing keistimewaannya, secara umum hampir semua turbin dapat diklasifikasikan dalam dua tipe dasar turbin impuls dan turbin reaksi. Secara umum turbin impuls merupakan mesin dengan head yang tinggi, dan laju aliran yang rendah, sedangkan turbin reaksi merupakan mesin dengan head yang rendah dan laju aliran yang tinggi. 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. 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 5
kincir air/turbin air. Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi potensial air yaitu : Di mana: Ep = m. g. h (2.1) Ep = energi potensial air ( Joule ) m = massa air ( kg ) g = percepatan gravitasi ( m/s 2 ) h = head ( m ) Daya merupakan energi tiap satuan waktu ( E ) sehingga persamaan (2.1) t dapat dinyatakan sebagai: E t = m.g.h t... (2.2) Dengan mensubstisusikan P terhadap ( E t ) dan ρq terhadap (m t (2.1) dapat dinyatakan sebagai berikut: ) maka persamaan P = ρ. Q. g. h... (2.3) Dimana: P = daya air ( watt ) ρ = densitas air ( kg/m 3 ) Q = kapasitas aliran ( m 3 /s ) Selain memanfaatkan air jatuh, tenaga air (hydropower) dapat diperoleh dari aliran air datar di mana energi yang tersedia merupakan energi kinetik. Ek = 1 2 mv2. (2.4) Dimana: Ek = energi kinetik ( Joule ) v = kecepatan aliran air ( m/s ) Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut: Ek = 1 2 ρqv2... (2.5) 6
2.2 Sejarah Turbin Air Kata "turbine" ditemukan oleh seorang insinyur Perancis yang bernama Claude Bourdin pada awal abad 19, yang diambil dari terjemahan bahasa Latin dari kata "whirling" (putaran) atau "vortex" (pusaran air). Perbedaan dasar antara turbin air dengan kincir air adalah komponen putaran air yang memberikan energi pada poros yang berputar. Komponen tambahan ini memungkinkan turbin dapat memberikan daya yang lebih besar dengan komponen yang lebih kecil. Turbin dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih cepat dan dapat memanfaatkan head yang lebih tinggi. Untuk selanjutnya dikembangkan turbin impuls yang tidak membutuhkan putaran air. Sejarah ditemukannya turbin yaitu bermula dari ditemukannya kincir air yang sudah sejak lama digunakan untuk tenaga industri. Pada mulanya yang dipertimbangkan adalah ukuran kincirnya, yang membatasi debit dan head yang dapat dimanfaatkan. Perkembangan kincir air menjadi turbin modern membutuhkan jangka waktu yang cukup lama. Perkembangan yang dilakukan dalam waktu revolusi industri menggunakan metode dan prinsip ilmiah. Mereka juga mengembangkan teknologi material dan metode produksi baru pada saat itu. Ján Andrej Segner mengembangkan turbin air reaksi pada pertengahan tahun 1700. turbin ini mempunyai sumbu horizontal dan merupakan awal mula dari turbin air modern. Turbin ini merupakan mesin yang masih diproduksi saat ini untuk pembangkit tenaga listrik skala kecil. Segner bekerja dengan Euler dalam membuat teori matematis awal untuk desain turbin. Pada tahun 1820, Jean-Victor Poncelet mengembangkan turbin aliran ke dalam. Pada tahun 1826, Benoit Fourneyon mengembangkan turbin aliran keluar. Turbin ini sangat efisien hingga 80% yang mengalirkan air melalui saluran dengan sudu lengkung satu dimensi. Saluran keluaran juga mempunyai lengkungan pengarah. Pada tahun 1844, Uriah A. Boyden mengembangkan turbin aliran keluar yang meningkatkan performa dari turbin Fourneyon. Bentuk sudunya mirip dengan turbin Francis. Pada tahun 1849, James B. Francis meningkatkan efisiensi turbin reaksi aliran ke dalam hingga lebih dari 90%. Dia memberikan tes yang memuaskan dan mengembangkan metode engineering untuk desain turbin air. 7
Turbin Francis dinamakan sesuai dengan namanya, yang merupakan turbin air modern pertama. Turbin ini masih digunakan secara luas di dunia saat ini. Turbin air aliran ke dalam mempunyai susunan mekanis yang lebih baik dan semua turbin reaksi modern menggunakan desain ini. Putaran massa air berputar hingga putaran air yang semakin cepat membangkitkan energi. Energi tersebut dibangkitkan pada sudu dengan memanfaatkan berat jatuh air dan pusarannya. Tekanan air berkurang sampai nol sampai air keluar melalui sirip turbin dan memberikan energi. Sekitar tahun 1890, bantalan fluida modern ditemukan, sekarang umumnya digunakan untuk mendukung pusaran turbin air yang berat. Hingga tahun 2002, bantalan fluida terlihat mempunyai arti selama lebih dari 1300 tahun. Sekitar 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. Pada tahun 1993, Fritz Dietzel menjelaskan bahwa turbin Kaplan sesuai dengan persamaan Euler yaitu semakin kecil tinggi air jatuh yang tersedia, maka semakin kecil pula belokan aliran air di dalam sudu jalan. Dengan bertambahnya kapasitas air yang masuk ke dalam turbin, makin akan bertambah besar pula luas penampang saluran yang dialiri air, dan dengan demikian maka kecepatan putar turbin bisa ditentukan/ dipilih lebih tinggi. Jika ditemukan kecepatan spesifik bertambah, maka kelengkungan sudu, jumlah sudu, dan belokan aliran air di dalam sudu berkurang. Pada permulaan sekali di saat pengembangan pusat tenaga sungai, turbinnya menggunakan roda baling-baling dengan sudu-sudu tetap yang dituang. Untuk tempat pusat listrik tenaga sungai harus dihitung dahulu besarnya perubahan tinggi air jatuhnya sepanjang tahun. Dan aliran sungai tersebut bisa diatur melalui bendungan. Semakin besar kapasitas air yang mengalir pada saat air tinggi, akan makin kecil tinggi air jatuh yang bisa dimanfaaatkan, karena tinggi permukaan air atas adalah tetap konstan sedangkan air kelebihan pada permukaan air bawah akan naik. Turbin yang bekerja pada tinggi air jatuh yang berubah-ubah mempunyai kerugian, karena dalam perencanaan sudu turbin telah disesuaikan bahwa 8
perpindahan energi yang baik hanya terjadi pada titik normal yaitu pada kondisi perbandingan kecepatan dan tekanan tertentu. Bila terjadi penyimpangan yang besar baik ke atas maupun ke bawah, seperti yang terdapat pada pusat listrik tenaga sungai, randemen roda baling-balingnya turbin cepat atau lambat akan turun. Keuntungan turbin baling-baling bila dibandingkan dengan turbin Francis adalah kecepatan putarnya bisa dipilih lebih tinggi, dengan demikian roda turbin bisa dikopel atau dihubungkan langsung ke generator dan ukurannya pun lebih kecil. Oleh Prof. Kaplan (Bruun, 1878-1934), turbin baling-baling dikembangkan sedemikian rupa sehingga sudu jalannya dapat diputar dalam leher poros. Jadi dengan demikian, sudut sudu dapat diatur sesuai dengan kondisi saat itu. Nainggolan, David Permadi (2014), menjelaskan dalam penelitian rancang bangun turbin Kaplan pada head satu meter dengan laju aliran 0,00088 m 3 /s, dimana sudut sudu pengarah (guide vane) yang digunakan 45 o dan variasi sudu turbin (runner blade) 4,5,dan 6 menghasilkan kesimpulan pada 4 runner blade menghasilkan putaran turbin 160 rpm, pada 5 runner blade menghasilkan putaran turbin 186 rpm, dan pada 6 runner blade menghasilkan putaran turbin 182 rpm. Dengan demikian diperoleh kesimpulan bahwa putaran tertinggi terjadi pada 5 runner blade dengan sudut pengarah ( guide vane ) 45 o. 2.3. Komponen Turbin 2.3.1. Stator Stator turbin terdiri dari dua bagian, yaitu casing dan sudu diam (fixed blade). Namun untuk tempat kedudukan sudu-sudu diam yang pendek dipasang diafragma. a. Casing Casing atau shell adalah suatu wadah berbentuk menyerupai sebuah tabung dimana rotor ditempatkan. Pada ujung casing terdapat ruang besar mengelilingi poros turbin disebut exhaust hood, dan di luar casing dipasang bantalan yang berfungsi untuk menyangga rotor. 9
b. Sudu Tetap Sudu merupakan bagian dari turbin dimana konversi energi terjadi. Sudu terdiri dari bagian akar sudu, badan sudu dan ujung sudu. Sudu kemudian dirangkai sehingga membentuk satu lingkaran penuh. Sudu-sudu tetap dipasang melingkar pada dudukan berbentuk piringan yang disebut diafragma. 2.3.2. Rotor Rotor adalah bagian turbin yang berputar terdiri dari poros dan sudu-sudu gerak yang terpasang mengelilingi rotor. a. Poros Poros dapat berupa silinder panjang yang solid (pejal) atau berongga (hollow). Pada umumnya poros turbin sekarang terdiri dari silinder panjang yang solid. Sepanjang poros dibuat alur-alur melingkar yang biasa disebut akar (root) untuk tempat dudukan, sudu-sudu gerak (moving blade). b. Sudu Gerak Sudu gerak adalah sudu-sudu yang dipasang di sekeliling rotor membentuk suatu piringan. Dalam suatu rotor turbin terdiri dari beberapa baris piringan dengan diameter yang berbeda-beda c. Bantalan Bantalan berfungsi sebagai penyangga rotor sehingga membuat rotor dapat stabil/lurus pada posisinya didalam casing dan rotor dapat berputar dengan aman dan bebas. Adanya bantalan yang menyangga turbin selain bermanfaat untuk menjaga rotor turbin tetap pada posisinya, juga mengurangi kerugian mekanik karena gesekan. Sebagai bagian yang berputar, rotor memiliki kecenderungan untuk bergerak baik dalam arah radial maupun dalam arah aksial. Karena itu rotor harus ditumpu secara baik agar tidak terjadi pergeseran radial maupun aksial yang berlebihan. Komponen yang dipakai untuk keperluan ini disebut bantalan (bearing). 10
2.4. 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 air menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini, maka turbin air dibagi menjadi dua yaitu: 1. Turbin impuls 2. Turbin reaksi 2.4.1. Turbin Impuls Turbin impuls adalah turbin yang bekerja karena aliran air. Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nosel. Air keluar nosel yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Akibatnya sudu gerak akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfer sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin diubah menjadi energi kecepatan. Dengan demikian, kecepaan aliran air dapat diperoleh: Energi potensial air = energi kinetik air m. g. h = 1 2 mv2 v = 2. g. h...(2.6) dimana: m = massa (kg) h = ketinggian/ head (m) v = kecepatan aliran (m/s) g = percepatan gravitasi (m/s 2 ) 2.4.1.1. Turbin Pelton Turbin Pelton ditemukan pada tahun 1870-an oleh Lester Allan Pelton. Turbin Pelton termasuk dalam kelompok jenis turbin impuls. Karakteristik umumnya adalah pemasukan sebagian aliran air ke dalam runner pada tekanan atmosfir. Pada turbin Pelton, puntiran terjadi akibat pembelokan 11
pancaran air pada mangkok ganda runner. Oleh karena itu maka turbin Pelton juga disebut turbin pancaran bebas. Penyempurnaan terbesar yang dilakukan Pelton (sebagai penemu turbin) yakni dengan menerapkan mangkok ganda simetris. Bentuk ini pada dasarnya masih tetap berlaku. Punggung pembelah membagi jet menjadi dua paruh yang sama, yang dibelokkan menyamping. Pada dasarnya turbin terdiri atas runner, nosel dan rumah turbin. Gambar 2.1. Turbin Pelton (Sumber : Turbin, Pompa dan Kompresor, Fritz Diesel) 2.4.1.2 Turbin Turgo Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin Pelton, turbin Turgo merupakan turbin impuls, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozzle 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. 12
Gambar 2.2. Turbin Turgo (Sumber: http://sistem-tenaga-listrik.blogspot.co.id/2011/05/plta-pembangkitlistrik-tenaga-air-part.html diakses pada kamis, 6 Oktober 2016 pukul 01.00 WIB) 2.4.1.3 Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow Tipe turbin impuls lainnya dalah turbin Crossflow (Stapenhorst, 1978) yang biasa disebut sebagai turbin banki atau turbin Mitchell. Turbin cross flow merupakan turbin impuls yang berporos horizontal bekerja dengan cara tekanan air dikonversikan menjadi energi kinetik di inlet adaptor. Aliran air yang menyebabkan berputarnya runner setelah berbenturan pertama dengan sudu turbin, kemudian menyilang (cross flow) mendorong sudu tingkat kedua. Gambar 2.3. Turbin Crossflow (Sumber : Turbin, Pompa dan Kompresor, Fritz Diesel) 13
2.4.2. Turbin Reaksi Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir. Turbin reaksi disebut juga turbin tekanan lebih dimana tekanan air masuk sudu lebih besar dari tekanan air keluar sudu. Perbedaannya dengan turbin impuls, turbin reaksi memiliki sudu tetap/sudu pengarah dan sudu gerak. Sudu tetap (guide vane) mengarahkan aliran air masuk ke sudu gerak. Kecepatan air keluar sudu gerak sangat tinggi sehingga tekanannya rendah (vakum). Untuk memperbesar tekanan air digunakan draft tube yang menghubungkan sisi keluar turbin dengan permukaan air bawah. Karena tekanannya rendah, sering juga terjadi kavitasi, yaitu pecahnya gelembunggelembung uap air di dalam turbin. 2.4.2.1. Turbin Francis Adapun turbin Francis diciptakan oleh James Francis Bichens dari Inggris. Termasuk jenis turbin reaksi dengan arah aliran aksial-radial. Turbin ini beroperasi pada head (tinggi jatuh) 10 650 meter, dapat menghasilkan daya 10 750 MW dengan Ns (spesific speed) 83 1000 rpm. Pada umumnya turbin ini di desain dengan posisi poros vertikal untuk menjaga agar air tidak mengenai rumah generator dan peralatan bantu lainnya. Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian keluar. Sudu pengarah pada turbin Francis merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Gambar 2.4. Turbin Prancis (Sumber : Turbin, Pompa dan Kompresor, Fritz Diesel) 14
2.4.2.2. Turbin Kaplan Turbin Kaplan (Propeler) adalah salah satu turbin reaksi aliran aksial. Turbin ini tersusun seperti propeller pada perahu. Propeller tersebut biasanya mempunyai tiga hingga delapan sudu. Bila dibandingkan antara turbin Francis dan turbin Kaplan mengenai kecepatan putar dan ukurannya hampir tidak berbeda. Untuk beban tidak penuh, randemen turbin Kaplan adalah lebih baik, sebab sudu pengarah dan sudu gerak pada waktu bekerja sama-sama bisa diatur (Dietzel, Fritz. 1998). Gambar 2.5. Turbin Kaplan (Sumber : Turbin, Pompa dan Kompresor, Fritz Diesel) 2.4.2.2.1. Prinsip Kerja Turbin Kaplan Turbin Kaplan memiliki kemiripan dengan turbin Francis dalam hal cara kerjanya menggunakan prinsip turbin reaksi. Turbin ini mempunyai sudu gerak yang mirip dengan baling-baling pesawat terbang. Bila balingbaling pesawat terbang berfungsi untuk menghasilkan gaya dorong, roda jalan pada Kaplan berfungsi untuk mendapatkan gaya F yaitu gaya putar yang dapat menghasilkan torsi pada poros turbin. Berbeda dengan roda jalan pada Francis, sudu-sudu pada roda jalan Kaplan dapat diputar posisinya untuk menyesuaikan kondisi beban turbin. Turbin Kaplan banyak dipakai pada instalasi pembangkit listrik tenaga air sungai, karena turbin ini mempunyai kelebihan dapat menyesuaikan head yang berubahubah 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 15
mempunyai efisiensi paling tinggi, hal ini dikarenakan sudu-sudu turbin Kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban yang ada. Tabel 2.1. Persamaan dan Perbedaan Turbin Reaksi Turbin Reaksi Persamaan Perbedaan Cara kerja turbin Sudu pengarahnya Turbin Francis hampir sama. saja yang dapat diatur. Sewaktu berkerja, sudu pengarah dan Turbin Kaplan sudu gerak dapat diatur 2.4.2.2.2. Komponen Utama Turbin Kaplan Komponen-komponen utama turbin Kaplan adalah: 1. Rumah turbin (Spiral Chasing) 2. Sudu pengarah (Guide Vane) 3. Sudu gerak (Runner blade) 4. Draft tube 2.4.2.2.3. Dimensi Dasar Turbin Kaplan Dimensi dasar turbin Kaplan bergantung pada diameter luar runner (D), tinggi guide vane (B), jarak vertikal runner terhadap sisi dalam guide vane (λ), dan diameter boss (Dd). 16
Gambar 2.6. Elemen Dasar Turbin Kaplan Persamaan dasar untuk mencari diameter runner (D): D = (66,76 + 0,136 Ns) H....... (2.7) N Dimana: Ns = putaran spesifik (rpm) N = putaran turbin (rpm) Persamaan dasar untuk mencari tinggi guide vane (B) : B = (0.45 31,80 ) D..... (2.8) Ns Persamaan untuk mencari diameter dalam (Db): Q = π 4 (D2 Db 2 )Vf. (2.9) 2.4.2.2.4 Dimensi Dasar Runner Blade Segitiga kecepatan masuk pada sudu gerak (runner blade) dapat dilihat pada gambar berikut: 17
Gambar 2.7. Segitiga Kecepatan Masuk Dan Keluar Sudu Gerak Dimana, Vf Ub U Uwb Uw ββ ββee = Kecepatan aliran air = Kecepatan tepi (rim) diameter boss = Kecepatan tepi (rim) diameter luar = Kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss = Kecepatan pusaran air (whirl) diameter luar = Sudut sudu (blade) pada area fluida masuk (inlet) = Sudut sudu (blade) pada area fluida keluar (outlet) Persamaan untuk mencari kecepatan aliran air adalah: Vf = 2. g. H Persamaan untuk mencari kecepatan tepi (rim) diameter boss dan diameter dalam (Ub dan U) adalah: U b = π.d 2.N 60 U = π.d.n 60..... (2.10)...... (2.11) 18
Persamaan untuk mencari kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss dan diameter dalam adalah : U wb = N H.g.h 100.Ub....... (2.12) U = N H.g.h 100.U.... (2.13) Persamaan untuk mencari sudut sudu (blade) pada area fluida masuk (inlet) adalah: Tan βi = Uf. (2.14) Uw Persamaan untuk mencari sudut sudu (blade) pada area fluida keluar (outlet) adalah: Tan βe = Uf... (2.15) Uwb 2.5. Karakteristik Turbin Perbandingan karakteristik turbin dapat kita lihat pada grafik head (m) vs flow (m 3 /s) dibawah ini. 19
Gambar 2.8. Grafik Perbandingan Karakteristik Turbin (Sumber : https://rahmanta13.wordpress.com/2011/05/20/turbin-air/) Dapat dilihat pada gambar 2.8 turbin Kaplan adalah turbin yang beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi. Hal ini karena sudu - sudu turbin dapat diatur secara manual atau otomatis untuk merespon perubahan kapasitas. 2.6. Seleksi Awal Jenis Turbin Seleksi awal dari jenis turbin yang cocok untuk suatu keperluan paling tepat dilakukan dengan kecepatan spesifik (Ns). Dalam tabel 2.2 disajikan nilai kecepatan spesifik (Ns) untuk berbagai jenis turbin. Tabel 2.2 dapat digunakan sebagai panduan awal dalam pemilihan jenis turbin yang tepat untuk nilai Ns tertentu. Nilai Ns yang tercantum dalam tabel 2.2 bukan nilai eksak. 20
Untuk setiap jenis turbin terdapat suatu nilai kisaran tinggi terjun dan kecepatan spesifik yang sesuai. Korelasi empiris antara terjun (H) dan kecepatan spesifik (Ns) disajikan dibawah ini. Untuk turbin Francis, Moody memperoleh korelasi sebagai berikut: Ns = 6803 H+9,75 Sedangkan untuk Kaplan, sebagai berikut: Ns = 9431 H+9,75 + 84.... (2.16) + 155.. (2.17) Dengan H adalah tinggi terjun netto (m) dan Ns adalah kecepatan spesifik. Tabel 2.2 Jenis-Jenis Turbin Air dan Kisaran Kecepatan Spesifiknya (Ns) Jenis Turbin Ns (metrik) a. Satu jet (Turbin Pelton) 4-30 1. Turbin Impuls b. Banyak jet (turbin Doble) 30-70 a. Francis Ns rendah 50-125 Ns normal 125-200 Ns tinggi 200-350 2. Turbin Reaksi Ns exspress 350-500 b. Propeller Sudu tetap (Turbin Nagler) 400-800 Sudu dapat diatur (Turbin Kaplan) 500-1000 Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Air selalu diusahakan agar generator dikopel langsung dengan turbin. Atau dengan kata lain putaran turbin terbatas pemilihannya agar dapat dikopel dengan generator. Putaran turbin berhubungan dengan putaran spesifik, atau dapat dituliskan sebagai berikut: N s = N P 5 H4 Di mana: Ns = putaran spesifik (rpm)..... (2.18) 21
N = putaran turbin (rpm) P = daya air ( W) H = head (m) Dari nilai spesifik ini dapat ditentukan jenis turbin yang digunakan yang dapat dijelaskan sebagai berikut : Ns = 8-50 jenis turbin Pelton Ns = 50-149 jenis turbin Francis Ns = 150-1000 jenis turbin Kaplan atau Propeler Beberapa turbin impuls menggunakan beberapa nosel untuk meningkatkan kecepatan spesifik dan keseimbangan gaya poros. 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, efisiensinya baik dalam segala kondisi aliran. 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. 2.7. Alternator Bila sejumlah kawat email dililitkan ke paku, lalu kawat dialiri arus listrik, gulungan itu menimbulkan medan magnet, dan menyebabkan paku tersebut menjadi magnet. Kuatnya magnet ditentukan oleh berapa banyak gulungan kawat dan berapa besar arus listriknya. Magnet jenis ini lazim disebut sebagai elektromagnet. 2.8. Sabuk Datar Dan Puli Belt (sabuk) digunakan untuk mentransmisikan daya dari poros yang satu ke poros yang lainnya melalui roda (pulley) yang berputar dengan kecepatan sama atau berbeda. 22
Sabuk umumnya dipakai pada puli, sabuk ini lebih tenang dan efisien pada kecepatan tinggi, dan juga mampu mentransmisikan sejumlah daya yang besar pada jarak pusat puli yang panjang. 2.8.1 Jenis Gerakan Pada Sabuk Energi dari suatu puli ditransmisikan kemanapun. Berikut jenis gerakan pada sabuk: 1. Gerakan sabuk terbuka Gerakan sabuk terbuka ditunjukkan di dalam gambar 2.9, jenis ini digunakan diporos. Berputar dan paralel yang diatur ke arah yang sama. Ketika memusat jarak antara kedua poros besar, kemudian sisi yang ketat sabuk harus lebih rendah. Gambar 2.9 Sabuk Terbuka (Sumber: Machine Design, R. S. Khurmi dan J. K. Gupta) 2. Gerakan membelit atau melingkar pada sabuk Gerakan membelit atau melingkar ditunjukkan di dalam gambar 2.10, digunakan poros pengatur berputar dan paralel di dalam arah kebalikannya. Tegangan yang kecil akan menunjukkan bahwa pada suatu titik silang sabuk, hal ini akan menggosok melawan terhadap satu sama lain dan di sana akan terjadi kerusakan disebabkan gesekan berlebih dalam rangka menghindari ini, poros harus ditempatkan pada suatu jarak yang maksimum 20 b, dimana b menjadikan sabuk melebar dan kecepatan sabuk harus kurang dari 15 m/detik. 23
Gambar 2.10 Gerakan Membelit atau Melingkar pada Sabuk (Sumber: Machine Design, R. S. Khurmi dan J. K. Gupta) 3. Gerakan dengan puli pengarah Gerakan sabuk dengan puli pengarah ditunjukkan didalam gambar 2.11, dengan menggunakan poros yang digunakan untuk pengaturan paralel dan ketika sabuk terbuka tidak adapat digunakan dalam sudut yang kecil dan penghubung pada puli kecil. Pengarah jenis ini disajikan untuk memperoleh perbandingan percepatan tinggi dan ketika tegangan sabuk yang diperlukan tidak bisa diperoleh oleh alat-alat lain. Ketika itu diinginkan untuk mentransmisikan gerakan dari satu poros ke beberapa poros, semua diatur didalam paralel, suatu sabuk menggerakan dengan banyak puli. Gambar 2.11 Gerakan dengan Puli Pengarah (Sumber: Machine Design, R. S. Khurmi dan J. K. Gupta) 24
2.9. Daya Listrik Daya listrik adalah banyaknya energi tiap satuan waktu dimana pekerjaan sedang berlangsung atau kerja yang dilakukan persatuan waktu. Dari definisi ini, maka daya listrik (Pl) dapat dirumuskan: P = E t..... (2.19) P = V. I. t t P = V. I... (2.20) Dimana: P = daya listrik (watt) V = tegangan (volt) I = arus listrik (Ampere) 25