BAB II LANDASAN TEORI
2.1. Karakteristik Air Sungai merupakan jalan air alami mengalir menuju samudera, danau atau laut, atau ke sungai yang lain. Sungai merupakan salah satu bagian dari siklus hidrologi. Air dalam sungai umumnya terkumpul dari presipitasi, seperti hujan, embun, mata air, limpasan bawah tanah, dan di beberapa negara tertentu air sungai juga berasal dari lelehan es/ salju. Selain air, sungai juga mengalirkan sedimen dan polutan. Manfaat terbesar sebuah sungai adalah untuk irigasi pertanian, bahan baku air minum, sebagai saluran pembuangan air hujan dan air limbah, bahkan sebenarnya potensial untuk dijadikan objek wisata sungai. Di Indonesia saat ini terdapat 5.950 daerah aliran sungai (DAS). Sungai menurut jumlah airnya dibedakan: 1. Sungai permanen - yaitu sungai yang debit airnya sepanjang tahun relatif tetap. Contoh sungai jenis ini adalah sungai Kapuas, Kahayan, Barito dan Mahakam di Kalimantan. Sungai Musi, Batanghari dan Indragiri di Sumatera.
2. Sungai periodik - yaitu sungai yang pada waktu musim hujan airnya banyak, sedangkan pada musim kemarau airnya kecil. Contoh sungai jenis ini banyak terdapat di pulau Jawa misalnya sungai Bengawan Solo, dan sungai Opak di Jawa Tengah. Sungai Progo dan sungai Code di Daerah Istimewa Yogyakarta serta sungai Brantas di Jawa Timur. 3. Sungai intermittent atau sungai episodik - yaitu sungai yang pada musim kemarau airnya kering dan pada musim hujan airnya banyak. Contoh sungai jenis ini adalah sungai Kalada di pulau Sumba. 4. Sungai ephemeral - yaitu sungai yang ada airnya hanya pada saat musim hujan. Sungai menurut genetiknya dibedakan: 1. Sungai konsekwen yaitu sungai yang arah alirannya searah dengan kemiringan lereng 2. Sungai subsekwen yaitu sungai yang aliran airnya tegak lurus dengan sungai konsekwen 3. Sungai obsekwen yaitu anak sungai subsekwen yang alirannya berlawanan arah dengan sungai konsekwen 4. Sungai insekwen yaitu sungai yang alirannya tidak teratur atau terikat oleh lereng daratan 5. Sungai resekwen yaitu anak sungai subsekwen yang alirannya searah dengan sungai konsekwen
2.2. Turbin Air Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro Turbin secara umum dapat diartikan sebagai mesin penggerak mula dimana energi fluida kerja yang digunakan langsung memutar roda turbin, fluida kerjanya dapat berupa air, uap air dan gas. Dengan demikian turbin air dapat diartikan sebagai suatu mesin penggerak mula yang fluida kerjanya adalah air. Kalau ditinjau dari daya yang dihasilkan turbin air, maka dikenal istilah Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hydro (PLTMH) yang maksudnya adalah turbin air yang dapat menghasilkan daya kurang dari 100 kW dan sumber airnya relatif kecil. Secara umum prinsip kerja dari turbin air ini adalah aliran air di dalam pipa pesat yang mengandung energi diarahkan ke roda turbin melalui nozzle, kemudian energi yang di dalam air ini pada roda turbin diubah bentuknya menjadi energi mekanik berupa putaran. Putaran roda turbin inilah yang dimanfaatkan untuk menggerakkan suatu beban, salah satu contohnya adalah untuk menggerakkan generator pembangkit listrik. Konstruksi dasar dari turbin air terdiri dari dua bagian utama yaitu rotor dan stator. Rotor adalah bagian–bagian dari turbin yang bergerak atau berputar seperti roda turbin (runner), poros, kopling, roda gaya, puly dan bagian-bagian dari turbin yang diam seperti saluran masuk (pipa pesat), rumah-rumah, sudu antar, sudu pengarah (nozzle), saluran buang dan lain–lain.
Contoh sistem turbin air tersebut dapat dilihat seperti gambar (2.1) berikut:
Gambar 2.1 Turbin air poros vertikal. (Lit. 5, Hal. 1) dari gambar turbin air poros vertikal tersebut dapat dilihat komponen utama yaitu: 1. Sudu tetap (nozzle), yang berfungsi untuk mengarahkan aliran fluida kerja (air) masuk ke dalam sudu gerak. 2. Sudu gerak, sudu gerak ini dipasang pada sekeliling roda turbin, yang mana fungsinya adalah untuk menerima tekanan dari kecepatan fluida kerja air masuk dan keluar sudu. 3. Rotor (roda turbin), suatu tempat dudukan sudu gerak, berfungsi untuk meneruskan daya putar yang diterima dari sudu gerak ke poros. 4. Poros, yang berfungsi untuk mentransmisikan daya atau tenaga bersama– sama dengan putaran roda turbin dan juga dapat berfungsi untuk mendukung suatu momen putar. 5. Stator (rumah turbin), berfungsi untuk melindungi atau untuk pengamanan dari proses kerja turbin, dan juga untuk mendukung konstruksi turbin secara keseluruhan. 6. Generator listrik, berfungsi untuk mengubah tenaga mekanis dari poros turbin menjadi tenaga listrik.
2.3. Teori Dasar Aliran (Hidrodinamik) Air yang mengalir mempunyai energi yang dapat digunakan untuk memutar roda turbin, karena itu pusat-pusat tenaga air dibangun di sungai-sungai dan di pegunungan. Pusat tenaga air tersebut dapat dibedakan dalam 2 golongan, yaitu pusat tenaga air tekanan tinggi dan pusat tenaga air tekanan rendah. Dengan didirikannya bendungan di daerah yang tinggi akan terdapatlah sebuah reservoar air yang cukup besar. Dengan menggunakan pipa, air tersebut dialirkan ke rumah pusat tenaga, yang dibangun di bagian bawah bendungan, dan di dalam rumah tersebut telah dipasang dua buah nosel turbin pelton, lewat nosel itulah air akan menyemprot ke luar dan memutar roda turbin, kemudian baru air tersebut dibuang ke sungai. Dari selisih tinggi permukaan air atas TPA dan permukaan air bawah TPB terdapat tinggi air jatuh H. Dengan menggunakan rumus-rumus mekanika fluida, daya turbin, luas penampang lintang saluran dan dimensi bagian-bagian turbin lainnya serta bentuk energi
2.4. Prinsip Kerja Turbin Air Pada roda turbin terdapat sudu yaitu suatu konstruksi lempengan dengan bentuk dan penampang tertentu, air sebagai fluida kerja mengalir melalui ruang diantara sudu tersebut, dengan demikian roda turbin akan dapat berputar dan pada sudu akan ada suatu gaya yang bekerja. Gaya tersebut akan terjadi karena ada perubahan momentum dari fluida kerja air yang mengalir diantara sudunya. Sudu hendaknya dibentuk sedemikian rupa sehingga dapat terjadi perubahan momentum pada fluida kerja air tersebut.
Gambar 2.2 Roda turbin (Lit. 5, hal 2)
2.5. Kincir Air Kincir air adalah yang pembuatannya paling banyak ditiru, yang bekerjanya memanfaatkan tinggi air jatuh H dan kapasitas air V. Faktor yang harus diperhatikan pada kincir air selain energi tempat adalah pengaruh berat air yang mengalir masuk ke dalam sel-selnya. Air yang mengalir ke dalam dan ke luar dari kincir tidak mempunyai tekanan lebih, hanya tekanan atmosfir saja. Kecepatan air yang mengalir ke dalam kincir harus kecil, sebab bila kecepatannya besar ketika melalui sel air akan melimpah ke luar atau energi yang ada hilang percuma tak bisa dimanfaatkan airnya berolak. Meskipun kincir air sudah usang, tapi pada kondisi yang tertentu di mana kemungkinan-kemungkinan lainnya tidak ada, kincir air tetap merupakan salah satu pilihan untuk digunakan. Tetapi di lain pihak kadang-kadang maksud utamanya adalah untuk mendapatkan energi yang sebesar-besarnya karena itu banyak kincir air yang diganti dengan turbin air. Tinggi air jatuh yang bisa digunakan kincir air antara 0,1 m sampai 12 m (roda kincir yang besar), dan kapasitas airnya 0,05 m3/s sampai 5 m3/s. Pemakaian kincir
adalah di daerah yang aliran airnya tidak tentu, berubah-ubah dan tinggi air jatuhnya kecil, bila perubahan kecepatan putar tidak mengganggu dan kecepatan putarannya kecil 2 putaran/menit sampai dengan 12 putaran/menit, serta daya pada poros transmisi masih bisa digunakan, misalnya di unit-unit kecil penggilingan tepung, minyak dan lain-lain. Randemen kincir antara 20% sampai 80%. Untuk roda kincir yang kecepatan putarannya pelan bahannya dibuat dari kayu, tetapi apabila untuk tinggi air jatuh yang besar roda kincir dibuat dari besi.
2.6. Klasifikasi Turbin Air Turbin air juga dibedakan dalam dua golongan utama, yaitu dipandang dari segi pengubahan momentum fluida kerjanya: 2.6.1. Turbin impuls Turbin impuls disebut juga dengan turbin air tekanan sama karena tekanan air yang keluar dari nozel tekanannya sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Sehingga energi tempat dan energi tekanan yang dimiliki oleh aliran air dirubah semuanya menjadi energi kecepatan. Contoh dari turbin impuls ini adalah turbin pelton, turbin crossflow dan lain–lain.
Gambar 2.3 Instalasi turbin impuls (Lit. 5, Hal.3) 2.6.1.1. 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 nozzle. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi.
Gambar 2.4 Turbin pelton dengan banyak nozzle (Lit. 6, Hal. 1)
Gambar 2.5 Runner turbin pelton (Lit. 7, Hal. 1) 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 nozzle. Dengan demikian diameter pancaran air bisa diperkecil dan ember sudu lebih kecil.
Turbin Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150 m tetapi untuk skala mikro head 20 m sudah mencukupi.
Gambar 2.6 Turbin pelton pada pembangkit listrik hydroelectric (Lit. 8, Hal. 5) 2.6.1.2. 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 20o. 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 2.7 Sudu turbin turgo dan nozzle (Lit. 7, Hal. 2) 2.6.1.3. Turbin Crossflow Salah satu jenis turbin impuls ini juga dikenal dengan nama Turbin Michell-Banki yang merupakan penemunya. Selain itu juga disebut Turbin Osberger yang merupakan perusahaan yang memproduksi turbin crossflow. Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 liter/sec hingga 10 m3/sec dan head antara 1 s/d 200 m.
Gambar 2.8 Instalasi turbin crossflow (Lit. 7, Hal. 3)
Turbin crossflow menggunakan nozzle persegi 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 2.9 Runner turbin crossflow (Lit. 8, Hal. 1) Turbin crossflow baik sekali digunakan untuk pusat tenaga air yang kecil dengan daya kurang dari 750 kW. Pembuatan dan pemasangan konstruksi sangat sederhana, dan biaya pembuatan murah. Konstruksi secara lengkap dapat dilihat pada gambar 2.9.
Gambar 2.10 Konstruksi turbin crossflow (Lit. 8, Hal. 2) 2.6.2. Turbin Reaksi Turbin reaksi disebut juga dengan turbin tekanan lebih karena tekanan air sebelum masuk roda turbin lebih besar dari pada tekanan air saat keluar roda turbin. Secara umum dapat dikatakan bahwa aliran air yang masuk keroda turbin mempunyai energi penuh, kemudian energi ini dipakai sebagian untuk menggerakkan roda turbin dan sebagian lagi dipergunakan untuk mengeluarkan air kesaluran pembuangan. Jenis turbin reaksi yang sering digunakan antara lain, turbin francis, turbin propeler atau kaplan.
Gambar 2.11 Instalasi turbin reaksi (Lit. 8, Hal. 8) 2.6.2.1. 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. Turbin Francis bekerja dengan memakai proses tekanan lebih pada waktu air masuk ke turbin, sebagian dari energy tinggi jatuh telah bekerja di dalam sudu pengarah diubah sebagai kecepatan arus masuk. Sisa energi tinggi jatuh dimanfaatkan/ bekerja di dalam sudu jalan, dengan adanya pipa isap memungkinkan energi tinggi jatuh bekerja di sudu jalan dengan semaksimum mungkin. Pada sisi sebelah keluar roda jalan terdapat
tekanan kerendahan (kurang dari 1 atmosfer) dan kecepatan aliran air yang tinggi. Di dalam pipa isap, kecepatan aliran akan berkurang dan tekanannya akan kembali naik, sehingga air bisa dialirakan keluar lewat saluran air bawah dengan tekanan seperti keadaan sekitarnya. Pipa isap pada turbin ini mempunyai tugas yang mirip dengan sudu hantar yang terdapat pada pompa sentrifugal. Turbin yang dikelilingi dengan sudu pengarah semuanya terbenam didalam air. Air yang masuk ke dalam turbin bisa dialirkan melalui pengisian air dari atas (turbin Schacht) atau melalui suatu rumah yang terbentuk spiral (rumah keong). Turbin semuanya selalu bekerja. Gaya yang dihasilkan turbin bisa diatur dengan cara mengubah posisi pembukaan sudu pengarah, dengan demikian kapasitas air yang masuk ke dalam turbin bisa diperbesar atau diperkecil. Turbin Francis dilaksanakan dengan posisi poros vertical atau horizontal. Turbin pelton dan turbin Francis : turbin Francis dianggap sudah bisa dibuat dengan kecepatan putar yang sama tingginya, dimana kecepatan putar yang tinggi tersebut menghasilkan keuntungan terhadap berat dan harga turbin dan generatornya. Tidak ada kerugian tinggi air jatuh akibat adanya ruang bebas. 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. Tempat yang dibutuhkan untuk turbin Francis adalah lebih kecil dan malah ada pusat tenaga listrik yang lebih kecil memakai turbin ini. Randemen turbin ini
untuk beban penuh adalah baik, tetapi akan buruk bila bebannya tidak penuh. Turbin Francis atau turbin Kaplan jika dibandingkan kecepatan putar dan ukurannya adalah hampir tidak berbeda. Untuk beban tidak penuh randemen turbin Kaplan adalah lebih baik, sebab sudu pengarah dan sudu jalan pada waktu bekerja sama-sama bisa diatur.
Gambar 2.12 Runner turbin francis (Lit. 8, Hal. 9)
Gambar 2.13 Turbin air francis pada pembangkit listrik hydroelectric (Lit. 8, Hal. 9)
2.6.2.2. Turbin Kaplan & Propeller Turbin Kaplan dan propeller merupakan turbin rekasi aliran aksial. Turbin ini tersusun dari propeller seperti pada perahu.. Propeller tersebut biasanya mempunyai tiga hingga enam sudu.
Gambar 2.14 Runner turbin kaplan (Lit. 9, Hal. 1)
Gambar 2.15 Turbin air kaplan pada pembangkit listrik hydroelectric (Lit. 9, Hal. 2)
Pada turbin kaplan semakin kecil tinggi air jatuh yang tersedia, makin sedikit belokannya aliran air di dalam sudu jalan. Dengan bertambahnya kapasitas air yang masuk ke dalam turbin, maka akan bertambah besar pula luas penampang saluran yang dilalui air, dan selain itu kecepatan putar turbin yang demikian bisa dipilih/ditentukan lebih tinggi. Kecepatan spesifik bertambah, 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 lebih dahulu besarnya perubahan tinggi air jatuhnya sepanjang tahun. Makin besar kapasitas air yang mengalir pada saat air tinggi, akan makin kecil tinggi air jatuh yang bisa dimanfaatkan, karena tinggi permukaan air atas adalah tetap konstan sedangkan air kelebihan pada permukaan air bawah akan naik. Turbin yang bekerja pada kondisi tinggi air jatuh yang berubah-ubah mempunyai kerugian, karena dalam perencanaan sudu turbin telah disesuaikan bahwa perpindahan energi yang baik hanya terjadi pada “titik normal” yaitu pada kondisi perbandingan kecepatan dan tekanan yang tertentu. Bila terjadi penyimpangan yang besar baik ke atas maupun ke bawah, seperti yang terdapat pada pusat tenaga listrik 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 (dihubungkan) langsung dengan Generator dan ukurannya pun lebih kecil. Oleh Prof. Kaplan (Bruun 1876 sampai 1934) turbin baling-baling dikembangkan sedemikian rupa sehingga sudu jalan turbin tersebut dapat diputar di dalam leher poros. Jadi dengan demikian sudut sudu dapat diatur sesuai dengan kondisi operasi turbin saat itu. Konstruksi pada turbin Kaplan pada hakekatnya sama dengan turbin Francis. Dan pada leher poros terdapat kipas sudu (4 sampai 8 buah) yang dapat diputar. Sama seperti baling-baling atau sayap pesawat terbang yaitu membawa aliran dengan belokan yang hanya sedikit. Bila untuk pesawat terbang maksutnya adalah supaya dari gaya dorong yang ada bisa didapatkan gaya ke atas, dengan tahanan yang sesedikit mungkin. Jadi bentuk profilnya memang harus demikian. Tetapi pada turbin Kaplan maksutnya adalah untuk mendapatkan gaya tangensial T (Gaya Putar/yang bisa menghasilkan torsi pada poros turbin). Kondisi yang disyaratkan untuk persamaan Euler (jumlah sudu yang tak terhingga, penghantaran aliran yang pasti) dalam masalah ini tidak terpenuhi. Dasar perhitungannya diperoleh dari penelitian aerodinamik yang telah dikembangkan. Dalam suatu percobaan profil ditempatkan sedemikian rupa pada sudut yang tertentu sehingga didapatkan gaya ke atas A dan tahanan W. Hargaharga ini kemudian diuraikan menjadi gaya tangensial T dan yang tegak lurus adalah gaya geser S dan resultan T dari semuanya itu adalah R.
Suatu bagan segitiga kecepatan pada sudu turbin Kaplan digambarkan sebagai berikut : ( )( *
( )(
*
,
*
+
+
*
+
+ -
+
.
( )( *
/
0
,
1 +
+ !"# $ $
%
$ $ &
%
#
$
#
' #
Gambar 2.16 adalah menggambarkan suatu turbin Kaplan yang silinder tempatnya sudu-sudu dipotong kemudian dibuka, dan dibentangkan sedemikian rupa sehingga sudu-sudu turbin terdapat dalam satu bidang dan kelihatan seperti kisi-kisi sudu (berjajar membentuk deretan sudusudu). Kecepatan aliran air w secara geometri adalah selisih antara kecepatan c dan u. Segitiga kecepatan untuk aliran air dapat digambar, dekat dengan sebelum dan dekat dengan sesudah turbin. Perlu diperhatikan tempatnya u1 = u2 = u; karena kecepatan pada leher poros ui adalah lebih kecil daripada kecepatan ujung luar sudu ua. perubahan kecepatan aliran dari w1 menjadi w2 yang terdapat pada leher
poros adalah kecil, tetapi ditempat lainnya perbedaan harga antara w1 dan w2 menurut besarnya hasil kerja tekanan lebih yang ada.
2.7. Pemilihan Tipe Turbin Bentuk selengkapnya persamaan Euler untuk turbin, sebagai berikut : ……………(Ref 1,hal. 19) Bila Cu2 = 0, untuk pengeluaran air yang tegak lurus, bentuknya dipermudah menjadi : ……………(Ref 1,hal. 19) Untuk sudu yang memiliki kelengkungan tajam cocok untuk digunakan di tempat yang punya tinggi air jatuh yang besar, dan makin rendah tinggi air jatuhnya makin memerlukan sudu dengan kelengkungan yang sedikit. Namun pada kenyataanya timbul pertanyaan, mulai dari mana suatu tinggi air jatuh disebut sebagai tinggi air jatuh yang besar dan apa pengaruh selanjutnya, serta bagaimana pengaruh kapasitas aliran V dan kecepatan putaran n terhadap perencanaan turbin air. Dalam membedakan dengan mesin-mesin fluida lainnya seperti turbin uap, turbin gas, kompressor, dan pompa sentrifugal mereka ini semuanya kebanyakan bekerja dengan tekanan tinggi, karena itu mereka kebanyakan harus dibuat bertingkat, tetapi pada turbin air harus dibuat dengan 1 tingkat. Untuk suatu kapasitas air yang sangat banyak seperti di pusat tenaga air sungai, bila perlu dibuat beberapa turbin air 1 tingkat yang ukurannya sama dihubungkan parallel secara hati-hati. Di lain pihak pusat tenaga air ditentukan oleh data-data setempat, perbedaan kombinasi antara tinggi air jatuh dan kapasitas aliran air yang tersedia, dan berapa
kecepatan putar yang diinginkan, karena ada perbedaan kemungkinan dalam penentuan bentuk roda turbin. Faktor-faktor yang mempengaruhi bentuk sudu turbin antara lain : 2.7.1.
Tinggi Air Jatuh Dari suatu tinggi air jatuh
(Ref. 1, Hal. 19) bisa
diperoleh daya spesifik yang dihasilkan turbin, bisa dengan harga u1 yang kecil dan Cu1 yang besar atau sebaliknya. Tetapi u1 = D1 .
. n (Ref. 1,
Hal. 19) tergantung pada diameter D1 dan kecepatan putar turbin n. untuk Cu1 yang besar akan berpengaruh kepada beberapa bagian dari energi total yang digunakan untuk menghasilkan energi kecepatan C1 dan berapakah sudut sudu C1 yang dipilih atau dipakai. 2.7.2.
Kapasitas Aliran Luas penampang saluran A1 tergantung kepada kapasitas aliran air. Dari persamaan kontinuitas A1 = V/C1 (Ref. 1, Hal. 19), dimana pada sudu turbin A1 = D1 .
. b1 (Ref. 1, Hal. 19). Jadi dalam hal ini ada juga
hubungannya dengan diameter sudu turbin, yang berarti ada juga pengaruhnya terhadap besarnya u1. Dengan pemilihan lebar b berarti diameter sudu turbin D tertentu dan dengan demikian bentuk sudu turbin juga tertentu. 2.7.3.
Kecepatan Putar Turbin Dalam pemilihan kecepatan putaran sedapatnya ditentukan setinggi mungkin, karena dengan kecepatan putar yang tinggi akan didapat momen puntir (kopel) yang kecil, poros yang kecil, dan diameter sudu turbin yang kecil serta ukuran-ukuran bagian-bagian mesin lainnya kecil.
Kecepatan keliling u1 = D1 .
. n (Ref. 1, Hal. 19), meningkat dengan
membesarnya n.
2.8. Teori Optimasi Teori optimasi atau yang dikenal dengan nama riset operasi berkembang sejak Perang Dunia II. Perkembangan dan penerapannya berlangsung begitu cepat dalam bidang-bidang penting. Mulai dari proyek pesawat, perencanaan strategi perang, industri, perdagangan dan lain-lain. Menurut Miller dan M. K. Star, riset operasi adalah peralatan manajemen yang menyatukan ilmu pengetahuan matematika dan logika dalam rangka memecahkan masalah yang dihadapi sehari-hari sehingga dapat dipecahkan secara optimal. Atau lebih umumnya, riset operasi merupakan proses pengambilan keputusan yang optimal dalam penyusunan model dari sistemsistem, baik deterministic maupun probabilistic yang berasal dari kehidupan nyata (sutrisno, 2008) 2.8.1.
Jenis Optimasi Ada berbagai jenis optimasi yang sudah berkembang antara lain pemrograman linear dan pemrograman non-linear (Sutrisno, 2008) 1. Program linear Program linear menyelesaikan kasus pada fungsi tujuan dan fungsi kendala yang bersifat linear, yaitu pangkat dari variablenya adalah 1. Bentuk umum model program linear adalah Maks/Min Kendala :
!" #
untuk i = 1,2,3….m
Xj
0
Untuk j = 1,2,3,….n
Untuk menyelesaikan program linear, dapat digunakan metode grafik, yaitu mentransformasikan formulasi ke dalam sebuah grafik. Tetapi metode ini hanya efektif untuk formulasi dengan banyak variabel dua. Untuk formulasi dengan variabel lebih dari dua, dapat digunakan metode simpleks 2. Program non-linear Program non-linear merupakan pemrograman dengan fungsi tujuannya saja atau bersama dengan fungsi kendala berbentuk non-linear yaitu pangkat dari variabelnya lebih dari satu. Program non-linear dapat mempunyai kendala maupun tidak mempunyai kendala
2.9. Generator DC Generator DC merupakan sebuah perangkat mesin listrik dinamis yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Generator DC menghasilkan arus DC / arus searah. Generator DC dibedakan menjadi beberapa jenis berdasarkan dari rangkaian belitan magnet atau penguat eksitasinya terhadap jangkar (anker), jenis generator DC yaitu: 1. Generator penguat terpisah 2. Generator shunt 3. Generator kompon
2.9.1. Konstruksi Generator DC Pada umumnya generator DC dibuat dengan menggunakan magnet permanent dengan 4-kutub rotor, regulator tegangan digital, proteksi terhadap beban lebih, starter eksitasi, penyearah, bearing dan rumah generator atau casis, serta bagian rotor. Gambar 1 menunjukkan gambar potongan melintang konstruksi generator DC.
Gambar 2.17 Konstruksi generator DC (Lit. 4, Hal. 2) Generator DC terdiri dua bagian, yaitu stator, yaitu bagian mesin DC yang diam, dan bagian rotor, yaitu bagian mesin DC yang berputar. Bagian stator terdiri dari: rangka motor, belitan stator, sikat arang, bearing dan terminal box. Sedangkan bagian rotor terdiri dari: komutator, belitan rotor, kipas rotor dan poros rotor. Bagian yang harus menjadi perhatian untuk perawatan secara rutin adalah sikat arang yang akan memendek dan harus diganti secara periodic / berkala. Komutator harus dibersihkan dari kotoran sisa sikat arang yang
menempel dan serbuk arang yang mengisi celah-celah komutator, gunakan amplas halus untuk membersihkan noda bekas sikat arang. 2.9.2. Prinsip kerja Generator DC Pembangkitan tegangan induksi oleh sebuah generator diperoleh melalui dua cara: •
dengan menggunakan cincin-seret, menghasilkan tegangan induksi bolak-balik.
•
dengan menggunakan komutator, menghasilkan tegangan DC.
Proses pembangkitan tegangan tegangan induksi tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.17 dan Gambar 2.18.
Gambar 2.18 Pembangkitan tegangan induksi. (Lit. 4, Hal. 3) Jika rotor diputar dalam pengaruh medan magnet, maka akan terjadi perpotongan medan magnet oleh lilitan kawat pada rotor. Hal ini akan menimbulkan tegangan induksi. Tegangan induksi terbesar terjadi saat rotor menempati posisi seperti Gambar 2 (a) dan (c). Pada posisi ini terjadi perpotongan medan magnet secara maksimum oleh penghantar. Sedangkan posisi jangkar pada Gambar 2.(b), akan menghasilkan tegangan induksi nol. Hal ini karena tidak adanya perpotongan medan
magnet dengan penghantar pada jangkar atau rotor. Daerah medan ini disebut daerah netral.
Gambar 2.19 Tegangan rotor yang dihasilkan melalui cincin-seret dan komutator. (Lit. 4, Hal. 6) Jika ujung belitan rotor dihubungkan dengan slip-ring berupa dua cincin (disebut juga dengan cincin seret), seperti ditunjukkan Gambar 3.(1), maka dihasilkan listrik AC (arus bolak-balik) berbentuk sinusoidal. Bila ujung belitan rotor dihubungkan dengan komutator satu cincin Gambar 3.(2) dengan dua belahan, maka dihasilkan listrik DC dengan dua gelombang positip. •
Rotor dari generator DC akan menghasilkan tegangan induksi bolakbalik. Sebuah komutator berfungsi sebagai penyearah tegangan AC.
•
Besarnya tegangan yang dihasilkan oleh sebuah generator DC, sebanding dengan banyaknya putaran dan besarnya arus eksitasi (arus penguat medan).
2.10.
Potensi Energi Air
Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat, karena pada air tersi mpan 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. Besarnya kecepatan aliran air dari suatu ketinggian tertentu dirumuskan sebagai berikut:
%$……………(Ref 1,hal. 6)
Dengan : C = Kecepatanaliran air (m/s) g = percepatan gravitasi (m/s2) h = tinggi air jatuh (m) Besarnya luas penampang pipa dinyatakan sebagai berikut: &' ( )
Sehingga besarnya nilai kapasitas air yang mengalir dapat dinyatakan sebagai berikut : *
+ , …………………….(Ref. 1, hal.3)
Dengan : 3
V= Kapasitas air yang mengalir (m /s) 2
A = Luaspenampanglintangsaluran (m ) C = Kecepatanaliran air (m/s) Sudu turbin yang berputar akibat dari air jatuh yang mengenai sudu-sudu turbin tersebut menghasilkan kecepatan tangensial dan kecepatan yang tegak lurus terhadap arah radial. Besarnya kecepatan tangensial pada sudu turbin dinyatakan sebagai berikut : - . / 01
………………. (Ref. 1, hal.58)
Dengan u1 = kecepatan tangensial (m/s) D1 = Diameter SuduTurbin (m) n = Kecepatanputaranporospenyangga (Rpm) Adapun kerugian yang dialami oleh turbin dalam melakukan konversi energi kinetik air menjadi energi mekanik yang berupa putaran poros, biasa disebut dengan nama randemen turbin. Randemen turbin dinyatakan sebagai berikut : 2
3 4 5
………………. (Ref. 1, hal.2)
Dengan : = Randemen turbin P = Daya turbin terencana (watt) H = Ketinggian air jatuh (m)
3
V = Kapasitas aliran air(m /s) Q = Kerapatan Air (kg/m3) Sudu turbin yang berputar akan mengalami gaya geser aksial dan gaya tangensial. Kedua gaya tersebut dapat dinyatakan sebagai berikut : 67
5
8 ' 9 :;' ' < ; ' = &> ( #………………. (Ref. 1, hal.12)
Dengan : Fa = Gaya geseraksial (N) Q = Kerapatan Air (kg/m3) W = Kecepatan relatif karena berhubungan dengan bagian sebelah dalam bejana yang bergerak (m/s) Dm = Diameter rata-rata suduturbin (m) B = Jumlah keseluruhan lebar sudu didapat dari(m); #
&' & < % %
Sedangkan gaya tangensial pada sudu turbin dinyatakan sebagai berikut : ?
&> ( #
@
A
;
'
<;
………………. (Ref. 1, hal.12)
Dengan demikian tegangan puntir yang terjadi pada poros dinyatakan sebagai berikut : 2 )
BC
1D B E F
………………. (Ref. 1, hal.54)
Dengan : p = Tegangan puntir (Pa) T = Gaya Tangensial (N) C = Kecepatan mutlak (m/s)
d = Diameter poros penyangga (m) Dalam menentukan ukuran-ukuran utama turbin diperlukan harga perkiraan yang terdiri dari kecepatan tangensial, kecepatan mutlak, dan kecepatan meridian yang dinyatakan ke dalam table grafik sebagai berikut :
(3
(43 *3 *3
$
5
Kecepatan spesifik nq dalam menit -------> Gambar2.20 Harga perkiraan untuk menentukan ukuran-ukuran utama turbin (Ref 1, Hal 54)
2.11.
Gaya Angkat
Prinsip pengoperasian turbin Wells adalah berdasarkan teori sudu klasik yaitu jika sebuah sudu diset pada sudut insiden
dalam arah aliran fluida akan menghasilkan gaya
angkat L normal terhadap free stream (kecepatan relatif) dan gaya drag dalam arah free stream (Raghunathan, 1995). Kedua gaya ini kemudian dapat ditransfer ke arah-arah tangensial (pada bidang rotasi), Ft dan aksial (normal terhadap bidang rotasi), Fa sebagai berikut (gambar 2.23):
F = L Cos
+ D Sin
F = L Sin
– D Cos
a
t
tan
=V /V a
t
Gambar 2.21 Gaya-gaya pada sudu (Ref. 1, hal.12) Turbin menyerap gaya aksial sedangkan gaya tangensial akan menyebabkan turbin berotasi. Untuk turbin dengan airfoil yang simetris maka arah gaya tangensial akan sama untuk kedua harga-harga
positif dan negatif sehingga dapat disimpulkan bahwa
arah rotasi rotor adalah tidak tergantung (bebas) pada arah aliran udara.
2.12.
Teori Pemilihan Bahan
Teori pemilihan bahan suatu perancangan, merupakan hal yang sangat Penting karena dari pemilihan tersebut kita dapat mengetahui apakah bahan tersebut cocok dan sesuai untuk alat yang dirancang bangun.Pemilihan bahan ini dapat menunjukan sifatsifat suatu bahan ,yang mana hal ini sangat menentukan keawetan dari bahan yang akan digunakan.Kriteria pemilihan bahan untuk pembuatan rancang bangun kincir angna penggerak pompa berdasarkan ketahanan terhadap korosi yang terjadi oleh air dan keausan yang terjadi antara pergesekan antar poros dan bantalan (bearing),kekuatan
poros dalam menahan gaya dan putaran yang terjadi pada kincir air tersebut.dalam pemilihan bahan ini ada berapa hal yang perlu di perhatikan: 1. Bahan yang digunakan haruslah sesuai dengan fungsinya, artinya bahan yang dipakai untuk suatu komponen haruslah sesuai dengan fungsinya jadi penggunaan bahan (material) yang benar akan menghindari kerusakan, korosi dan gesekan. 2. Mudah didapat,selain bahan yang digunakan telah memenuhi syarat untuk dijadikan komponen alat,bahan tersebut sebaiknya mudah didapat dipasaran agar tidak terjadi keterlambatan dan menghambat proses pembuatan alat ini. 3. Efisiensi,yang dimaksud disini adalah biaya yang dikeluarkan agar dapat ditekan serendah mungkin.dan fungsinya tidak mempengaruhi kekutan alat tersebut karena hal ini sangat kuat dengan perhitungan. 4. Kemudahan dalam perencanaan dari suatu alat (komponen) merupakan hal hal yang perlu diperhatikan,karena dapat mempengaruhi kelancaran proses pembuatan alat tersebut. 5. Murah,dengan berpegang prinsip ekonomi dan berdasarkan perhitungan yang ada,maka diharapkan biaya produksi pada tiap unit bahan ditekan sekecil mungkin agar dapat bersaing dipasaran dengan produk-produk sejenisnya yang diproduksi oleh produsen lain. 6. Kekuatan pada bahan (material). Kekuatan adalah suatu sifat dari bahan dimana kekuatan bahan ini tergantung pada jenis matrial dan pengerjaanya yang dilakukan pada bahan tersebut yang perlu diperhitungkan dalam pembuatan kincir air adalah Kekuatan dari suatu bahan (material) terhadap
tegangan geser,tegangan tekan ,momen puntir gaya tekan dan kekuatan bahan /material terhadap lingkungan.
2.13.
Prinsip Kerja Aliran air Sudu Baling-baling turbin Poros Generator Grid
Gambar 2.22 Diagram aliranalisaturbin Keterangan: 1. Air mengalir dengan kecepatan tertentu 2. Memutar sudu baling-baling 3. Poros meneruskan daya dan putaran ke generator 4. Generator mengubah energi mekanik menjadi energi listrik yang kemudian diteruskan ke grid 5. Grid (jaringan listrik)
