BAB II LANDASAN TEORI
2.1.
Pengertian Umum Turbin Air Secara sederhana turbin air adalah suatu alat penggerak mula dengan air
sebagai fluida kerjanya yang berfungsi mengubah energi hidrolik dari aliran air menjadi energi mekanik, sehingga menghasilkan energi mekanik poros. Perangkat turbin terdiri dari beberapa bagian, diantaranya roda turbin yang merupakan untuk yang bergerak (rotor) dan unit diam (stator) yang terdiri dari sudu diam, rumah trubin dan draft tube. Dari energi mekanik yang dihasilkan di poros akan ditransmisikan ke generator untuk mendapatkan energi listrik.
2.2.
Penggolongan Turbin Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, namun yang
paling utama adalah klasifikasi turbin air berdasarkan cara turbin air tersebut merubah energi air menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini, maka turbin air dibagi menjadi dua yaitu: 1. Turbin Impuls Yang dimaksud dengan turbin impuls adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air (yang terdiri dari energi potensial + tekanan + kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi puntir. Contoh: Turbin Pelton.
6
7
2. Turbin Reaksi Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir. Sudu turbin berputar akibat gaya reaksi tekanan air pada permukaan sudu, misal : Turbin Kaplan, Turbin Francis
Gambar 2.1 Diagram Klasifikasi Turbin Air 2.2.1. Turbin Impuls Turbin impuls adalah turbin dimana bergerak karena adanya impuls dari air. Pada turbin impuls, air dari sebuah bendungan dialirkan melalui pipa, dan kemudian melewati mekanisme pengarah dan akhirnya melewati nosel. Pada proses tersebut energi yang tersedia dikonversikan ke energi kinetik, dengan melewatkannya pada nosel, yang dekat sekali dengan runner. Air memasuki roda yang bergerak dalam bentuk semburan yang menumbuk mangkok, yang terpasang pada lingkaran luar roda turbin.
8
Semburan air menumbuk mangkok dengan kecepatan tinggi, dan setelah mengalir pada sudu (vane), keluar dengan kecepatan rendah. Tekanan air pada sisi masuk dan keluar adalah tekanan atmosfir. Semburan air yang keluar dari nosel, menabrak mangkok pada bagian pemecahnya (splitter). Pemecah kemudian membagi aliran menjadi dua bagian, Satu semburan akan mengalir dipermukaan dalam bagian sudu pertama dan keluar pada sisi ekstrimnya. Bagian yang lain akan mengalir di bagian sudu yang kedua dan keluar pada sisi ekstrim sudu tersebut seperti terlihat pada gambar 2.2
Gambar 2.2 Semburan air pada turbin impuls Dari gambar terlihat, bahwa titik tengah mangkok, dimana semburan menabrak pemecah dan terbagi dua, terdiri dari satu sisi masuk dan dua sisi keluar sehingga semburan terbagi menjadi dua.
2.2.2.
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
9
(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 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. 2. Turbin Kaplan
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 turbin. Berbeda dengan roda jalan pada francis, sudu-sudu pada roda jalan kaplan dapat diputar posisinya untuk
10
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.
2.2.3. Turbin Francis Merupakan turbin jenis reaksi yang bekerja karena tekanan pada roda turbin yang menyebabkan roda turbin berputar dimana aliran air melalui rumah keong yang di arahkan dengan sudu pengarah menuju sudu jalan dari roda turbin. Bentuk turbin francis terdapat pada gambar di bawah:
Gambar 2.3 Turbin Francis
11
Kontruksi turbin terdiri dari sudu pengarah dan sudu jalan, dan kedua sudu tersebut semuanya terendam didalam aliran air. Air pertama masuk pada terusan berbentuk rumah keong. Perubahan energi seluruhnya terjadi pada sudu pengarah dan sudu gerak. Aliran air masuk ke dengan kecepatan semakin naik dengan tekanan yang semakin turun sampai roda jalan, pada roda jalan kecepatan akan naik lagi dan tekanan turun sampai dibawah 1 atm. Untuk menghindari kavitasi, tekanan harus dinaikan sampai 1 atm dengan cara pemasangan pipa isap. Di dalam pipa isap kecepatan aliran akan berkurang dan tekanannya akan kembali naik sehingga air dapat mengalir keluar yang tekanannya sama dengan tekanan atmosfer. 2.3.
Teori Dasar Aliran Aliran air memiliki energi hidrodinamik yang dapat diubah menjadi energi
mekanik. Energi hidrodinamik ini dapat diperoleh dari perbedaan ketinggian ataupun debit dari suatu aliran. Energi aliran yang dikonversikan turbin berupa daya turbin (Pt), yang dapat dihitung melalui persamaan berikut: = ..... Ref. 4 hal: 2 Dimana: Pt = Daya Turbin (W) Q = kapasitas aliran (m3/s) ρ = massa jenis (kg/m3) g = percepatan gravitasi (m/s2) ηt = efisiensi turbin
12
Pada teori dasar aliran dapat dicapai suatu daya yang dihasilkan oleh turbin melalui beberapa tahapan perubahan energi. Diawali dari energi potensial yang dipengaruhi oleh ketinggian aliran kemudiam diubah menjadi energi kinetik aliran yang dipengaruhi oleh kecepatan aliran yang timbul. Sehingga dihasilkan energi mekanis berupa putara dari roda turbin. 2.4.
Penggolongan Turbin Berdasarkan Putaran Spesifik Putaran spesifik dipakai sebagai tanda batasan untuk membedakan tipe
roda trubin dan dipakai sebagai suatu besaran yang penting dalam perencanaan turbin air. Putaran spesifik dapat dihitung menggunakan persamaan berikut: √
= .
..... Ref. 7 hal: 71
Dimana: ns
= kecepatan spesifik
n
= kecepatan putar turbin (rpm)
P
= Daya Turbin (KW)
H
= tinggi air jatuh (m)
Dari kecepatan spesifik yang didapat akan digunakan untuk memilih turbin yang tepat sesuai tabel di bawah ini.
13
Tabel 2.1. Jenis turbin berdasarkan putaran spesifik
Sumber: Nechleba, Miroslav. 1957. Hydraulic Turbine Their Design and Equipment. Czechoslovakia: Artia Pragu
2.5.
Tahapan Perancangan Turbin Francis Tahapan dalam suatu perancangan dari turbin francis menggunakan
metode empirik pada dimensi roda turbin, rumah turbin dan draft tube yang dirumuskan oleh De Siervo dan A. Lugaressi (1980). Pada tugas akhir ini perancangan turbin yang akan dirancang memiliki konstruksi sesuai dengan gambar 2.4.
14
Gambar 2.4 Konstruksi Dasar Turbin Francis 2.5.1. Perancangan Runner (Roda Turbin) Pada perancangan roda turbin yang berbasis pada putaran spesifik yang didapatkan, kita bisa melakukan pemilihan tipe roda turbin dan menentukan dimensi utama yang lain. Pemilihan tipe roda turbin yang sesuai dengan hasil perhitungan putaran spesifik dimana di dalamnya telah terdapat faktor putaran, daya, dan head turbin dapat dilakukan sebagai berikut:
15
Gambar 2.5 Tipe Roda Turbin Berdasarkan Ns Setelah melakukan pemilihan tipe dari roda turbin yang sesuai maka kita dapat menentukan dimensi utama dari turbin. Dalam menentukan dimensi utama dari turbin yaitu diameter masukan (D1), diameter keluaran (Ds), lebar roda turbin (H1) dan tinggi roda turbin (H3) serta jumlah sudu (Z) digunakan beberapa persamaan tertentu.
16
Gambar 2.6 Dimensi Utama Roda Turbin a) Menentukan peripheral velocity coeficient (Ku) Untuk mencari peripheral velocity coeficient (Ku) dapat digunakan persamaan: KU = 0,875 + 1,07x10-3. Ns ..... Ref. 3 hal: 37 Dimana: Ku
= peripheral velocity coeficient
Ns
= kecepatan spesifik (rpm)
b) Menentukan diameter masukan (D1 dan D2) Untuk mencari diameter masukan digunakan persamaan sebagai berikut:
=
. .
. . .
..... ibid hal: 37
Dimana: Ku
= peripheral velocity coeficient
D1
= Diameter Masukan (m)
n
= putaran turbin (rpm)
17
g
= percepatan gravitasi (m/s2)
H
= Head (m) Sedangkan untuk mencari diameter masukan (D2):
D2 = D1 , untuk Ns ≤ 190 D2 / D1 = 1 / (1,198-0,00104.Ns) , untuk Ns > 190.
c) Menentukan diameter keluaran (Ds) Dalam menentukan diameter keluaran digunakan persamaaan sebagai berikut: Ds / D1 = 0,284 + 0,00235 . Ns ..... Ref. 3 hal: 37 Dimana: Ds
= Diameter keluaran (m)
D1
= Diameter Masukan (m)
Ns
= kecepatan spesifik (rpm)
d) Menentukan lebar roda turbin (H1) dan Tinggi Roda Turbin (H3) Untuk menentukan lebar roda turbin (H1) dan Tinggi Sudu (H3) dapat digunakan grafik sebagai berikut:
18
Gambar 2.7 Grafik perbandingan kecepatan spesifik dengan dimensi runner. Dari grafik di atas, dapat dibuat interpolasi untuk menentukan lebar dan tinggi roda turbin sebagai berikut: H1/D1 = (-0,0438) + 0,00121. Ns ..... Ref. 3 hal: 37 (H2 + H3) / D1 = 0,155 + 0,00119.Ns ..... ibid hal: 37 Dimana: H1 = lebar roda turbin (m) H3 = tinggi roda turbin (m) D1 = Diameter Masukan (m) Ns = kecepatan spesifik (rpm)
e) Menentukan Jumlah Sudu (Z) Jumlah sudu untuk roda turbin dapat dihitung dengan persamaan:
19
=
!!
/%
"#
..... Ref. 6 hal: 9-141
Dimana: Z = Jumlah sudu Ns = kecepatan spesifik (rpm)
f)
Menentukan Bentuk Sudu Berdasarkan Segitiga Kecepatan
Gambar 2.8 Segitiga Kecepatan Masuk dan Keluar
Untuk mendapatkan sisi masuk dan keluar turbin, perhitungannya menggunakan persamaan Euler (Ref. 4 hal: 22): cu1 = (η . g . H) / u1 Dimana, u1 = (u1i + u1a) / 2 u1i = u1i* . 2 . g H
u1a = u1a* . 2 . g H
20
Kemudian untuk mendapatkan kecepatan meredian (cm1) cm1 = cm1* . 2 . g H Sedangkan untuk kecepatan keluar (cs), dihitung dengan persamaan berikut: cs = cs* . 2 . g H Untuk menentukan komponen-komponen kecepatan, dapat digunakan grafik sebagai berikut:
Gambar 2.9 Grafik Nilai Untuk Menentukan Kecepatan Keluar (cs)
21
Gambar 2.10 Grafik Nilai Untuk Menentukan u1, cm1 , dan u2 Dari u1, c1, dan α1 seperti ditunjukkan gambar 2.8 segitiga kecepatan bisa digambar, sehingga didapat w1 dan sudut masuk sudu β1 sesuai gambar 2.11. Sudu ke luar β2 dipilih sedemikian rupa supaya α2 = 90o dengan begitu c2 atau cs tegak lurus u2. Sehingga dengan penggambaran segitiga kecepatan keluar akan didapat w2 dan sudut keluar sudu β2 sesuai gambar 2.11.
22
Gambar 2.11 Segitiga Kecepatan Masuk Dan Keluar Pada Runner Dari komponen-komponen yang sudah diketahui, maka dapat dilukiskan untuk bentuk sudunya berdasarkan metode koordinat polar (Ref .1 hal: 113)
Gambar 2.12 Pelukisan Sudu Dengan Koordinat Polar 8
180 8 dR 180 ∆R / = 6 θ = π 8 R tan β π R tan β *
8
Dengan metode ini titik-titik pada permukaan sudu dihitung dengan persamaan di atas, titik-titik ini dilukiskan sebagai koordinat polar.
23
2.5.2. Perancangan Guide Vane (Sudu Diam) Sudu diam (guide vane) digunakan karena mempunyai dua fungsi utama, yaitu untuk mengarahkan aliran air pada sudut α yang diinginkan ketika menuju roda turbin (runner) dan untuk mengatur jumlah air yang mengalir menuju runner agar sama untuk keseluruhan inlet roda turbin. Gambar 2.13 berikut adalah gambar dari guide vane.
Gambar 2.13 Sudu Diam (guide vane) Sudu diam terdiri dari dua buah rings dimana terdapat beberapa guide blades yang terpasang mengelilingi rings tersebut. Sudu diam ini dipasangkan secara stasioner pada rumah turbin dan mengelilingi roda turbin. Untuk menentukan jumlah dari guide vane, persamaan yang digunakan adalah:
..... Ref. 8 hal: 30 Dimana Z1 merupakan jumlah guide blades dan D’ adalah diameter oulet guide vane dalam satuam mm. Turbin Francis memiliki ketentuan yang berbeda untuk masing-masing tipe sebagai berikut:
24
1) Untuk low speed francis turbine, D’ lebih besar sekitar 40-100 mm daripada diameter inlet runner. 2) Untuk high speed francis turbine, D’ kurang lebih sama dengan diameter inlet runner. Untuk merancang maximum angle (α0) pada saat full load, digunakan persamaan sebagai berikut: 9 = 4. ((−4=. > + 13. > + 1= ..... ibid hal: 22 Sedangkan untuk menghitung diameter untuk range peletakan guide vane dengan menggunakan persamaan berikut: A = AB (0,29Ω + 1,07= ..... ibid hal: 22 Dimana: Ω = ϖH Ǭ Dengan:
J=
J
ϖ=
2
Ǭ=
K
Dimana: D0 = Diameter peletakan guide vane (mm) D1 = Diameter masukan (mm) ω = putaran turbin (rad/s) H = head turbin (m) Q = debit (m3/s)
25
g = percepatan gravitasi (m/s2) Untuk lebih jelasnya mengenai diameter range peletakan guide vane akan diperlihatkan pada gambar 2.14 berikut.
Gambar 2.14 Posisi Guide Vane Pada Turbin Francis Selanjutnya kita dapat menentukan cross ssection dari guide blades yang akan kita rancang berdasarkan gambar 2.15 di bawah ini:
Gambar 2.15 Tipe Cross Section Dari Guide Vane Pada Turbin Francis 2.5.3.
Perancangan Spiral casing (Rumah Turbin) Rumah turbin merupakan laluan air sebelum menumbuk rodfa turbin yang
berfungsi untuk meningkatkan tekanan. Pada rumah turbin terdapat sudu pengarah aliran yang berfungsi untuk mengatur sudut keluaran air yang menumbuk roda
26
turbin. Pada turbin francis tipe yang digunakan adalah spiral casing. Bentuk sederhana dari spiral casing dapat dilihat pada gambar 2.16 berikut ini.
Gambar 2.16 Bentuk Sederhana Spiral Casing Untuk perancangan rumah turbin digunakan metode empirik berdasarkan dari penelitian yang telah dilakukan deSiervo dan A. Lugaressi (1980). Dengan melihat dimensi dari roda turbin kita dapat menentukan dimensi dari rumah turbin yang dirancang. Dimensi-dimensi utama rumah turbin yang akan dihitung, dapat dilihat pada gambar 2.17 berikut.
27
Gambar 2.17 Dimensi Utama Rumah Turbin Francis Untuk menentukan nilai dari dimensi utama rumah turbin digunakan beberapa persamaan menurut penelitian yang telah dilakukan deSiervo dan A. Lugaressi (1980) yang menggunakan putaran spesifik (Ns) dan diameter masukan (D1), sebagai berikut (Ref. 3 hal: 39): L
= 0,19 + 0,0031. M
28
N
= 0,84 + 0,0016. MP
Q
= 0,88 + 0,002. MP
= 0,91 + 0,0026. MP
R
= 0,86 + 0,0012. MP
S
= 1,58 + 0,000072. MP
U
= 1,23 + 0,0006. MP
= 1,084 + 0,00061. MP
V
= (−0,041= + 0,0012 . MP
W
= 0,21 + 0,0022 . MP
X
= 0,12 + 0,0013 . MP
Dari nilai dimensi utama yang telah diperoleh, selanjutnya dapat dilakukan penggambaran rumah turbin (spiral casing). 2.5.4. Perancangan Draft Tube Draft tube adalah komponen terakhir dari laluan air pada hydropower plant dan sangat penting untuk mengarahkan air keluar dari roda turbin dimana air akan
29
dikumpulkan di receiving body of water. Gambar 2.18 di bawah merupakan tipe dari sebuah draft tube.
Gambar 2.18 Tipe Draft Tube Berdasarkan penelitian yang dilakukan deSiervo dan deLeva (1976) yang menggunakan putaran spesifik (Ns) dan diameter keluaran (DS), maka dihasilkan rumus empirik dengan dimensi utama yang dihitung dari draft tube seperti pada gambar 2.19 (Ref. 2 hal: 33) sebagai berikut:
Gambar 2.19 Dimensi Utama Draft tube Turbin Francis
30
Dari dimensi utama yang dihitung melalui persamaan di atas, maka dapat dilakukan penggambaran dari draft tube Turbin Francis.
