Turbin

Dari Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebas

Turbin uap zaman Perang Dunia I yang digunakan untuk pendorong kapal.

Turbin adalah sebuah mesin berputar yang mengambil energi dari aliran fluida. Turbin sederhana memiliki satu bagian yang bergerak, "asembli rotor-blade". Fluida yang bergerak menjadikan baling-balingberputar dan menghasilkan energi untuk menggerakkan rotor. Contoh turbin awal adalah kincir angin dan roda air.

Sebuah turbin yang bekerja terbalik disebut kompresor atau pompa turbo.

Turbin gas, uap dan air biasanya memiliki "casing" sekitar baling-baling yang memfokus dan mengontrol fluid. "Casing" dan baling-baling mungkin memiliki geometri variabel yang dapat membuat operasiefisien untuk beberapa kondisi aliran fluid.

Energi diperoleh dalam bentuk tenaga "shaft" berputar.

A. Pengertian Turbin

Turbomesin atau mesin turbo merupakan piranti yang memberikan tenagakepada atau yang mengambil tenaga dari suatu zat alir. Apabila mesintersebut menambahkan sejumlah tenaga kepada suatu zat alir, seperti pompa, apabila mesin tersebut mengambil tenaga dari zat alir sepertiturbin. Jadi Turbin merupakan mesin turbo yang berfungsi mengubah energi potensial fluida (energi kinetik) menjadi energi mekanik untuk menghasilkan kerja berupa putaran poros.

Pada turbin energi fluida kerja dimanfaatkan secara langsung untuk memutar roda turbin. Fluida kerja turbin dapat berupa gas, uap dan air. Bagian turbin yang berputar dinamakan rotor atau roda turbin, sedangkan bagian yang tidak bergerak/ berputar dinamakan stator ataurumah turbin. Roda turbin terletak di dalam rumah turbin dan roda turbin memutar poros daya yang menggerakkan atau memutar bebannya. Di dalam fluida kerja mengalami proses ekspansi, yaitu proses penurunan tekanan dan mengalir secara kontinu

B. Komponen-komponen Turbin

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 diapragma.

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 diluar casing dipasang bantalan yang berfungsi untuk menyangga rotor.

b. Sudu Tetap (fixed blade)

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 diapragma. Pemasangan sudu-sudu tetap ini pada diapragma menggunakan akar berbentuk T sehingga memberi posisi yang kokoh pada sudu.

Diapragma terdiri dari dua bagian (atas dan bawah) dan dipasang padaalur-alur yang ada didalam casing. Setiap baris dari rangkaian sudu-sudu tetap ini membentuk suatu lingkaran penuh dan ditempatkan langsung didepan setiap baris dari sudu-sudu gerak.

2. Rotor

Rotor adalah bagian yang berutar terdiri dari poros dan sudu-sudu gerak yang terpasang mengelilingi rotor. Jumlah baris sudu gerak pada rotor sama dengan jumlah baris sudu diam pada casing. Pasangan antara sudu diam dan sudu gerak disebut tingkat (stage).

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 (Moving Blades)

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, banyaknya baris sudu gerak biasanya disebut banyaknya tingkat.

c. Bantalan (Bearing)

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 menimbulkan 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 keperluanini disebut bantalan (bearing).

C. Jenis Turbin Secara Umum

1. Turbin Uap

Turbin uap adalah suatu alat yang memanfaatkan uap sebagai fluida untuk memutar turbin dengan pembakaran eksternal. Didalam turbin uappengubahan tenaga di dasarkan atas kecepatan uap.

Secara sederhana prinsip kerja turbin uap yaitu: mula-mula uap diekspansikan di dalam pipa pemancar, yaitu dengan jalan merubah tekanan uap yang tinggi menjadi kecepatan uap yang sangat cepat. Dengan kecepatan uap ini, digunakan untuk mendorong sudu jalan..

2. Turbin Gas

Turbin gas adalah suatu alat yang memanfaatkan gas sebagai fluida untuk memutar turbin dengan pembakaran internal. Didalam turbin gas energi kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik melalui udara bertekanan yang memutar roda turbin sehingga menghasilkan daya. Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen yaitu kompresor, ruang bakar dan turbin gas. Energi ditambahkan di arus gas di pembakar, di mana udara dicampur dengan bahan bakar dan dinyalakan. Pembakaran meningkatkan suhu, kecepatan dan volume dari aliran gas. Kemudian diarahkan melalui sebuah penyebar (nozzle) melalui baling-baling turbin, memutar turbin dan mentenagai kompresor. Energi diambil dari bentuk tenaga shaft, udara terkompresi dan dorongan, dalam segala kombinasi, dan digunakan untuk mentenagai pesawat terbang, kereta, kapal, generator, dan bahkan tank.

Prinsip Kerja Sistem Turbin Gas (Gas-Turbine Engine)

Udara masuk kedalam kompresor melalui saluran masuk udara (inlet). Kompresor berfungsi untuk menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, sehingga temperatur udara juga meningkat. Kemudian udara

bertekanan ini masuk kedalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar dilakukan proses pembakaran dengan cara mencampurkan udara bertekanan dan bahan bakar. Proses pembakaran tersebut berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga dapat dikatakan ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur. Gas hasil pembakaran tersebut dialirkan ke turbin gas melalui suatu nozel yang berfungsi untuk mengarahkan aliran tersebut ke sudu-sudu turbin. Daya yang dihasilkan oleh turbin gas tersebut digunakan untuk memutar kompresornya sendiri dan memutar beban lainnya seperti generator listrik, dll. Setelah melewati turbin ini gas tersebut akan dibuang keluar melalui saluran buang (exhaust).

Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistem turbin gas adalah sebagai berikut:

1. Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan

2. Pembakaran (combustion) bahan bakar dicampurkan ke dalam ruang bakar dengan udara kemudian di bakar.

3. Pemuaian (expansion) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir ke luar melalui nozel (nozzle).

4. Pembuangan gas (exhaust) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat saluran pembuangan.

Pada kenyataannya, tidak ada proses yang selalu ideal, tetap terjadikerugiankerugian yang dapat menyebabkan turunnya daya yang dihasilkan oleh turbin gas dan berakibat pada menurunnya performa turbin gas itu sendiri. Kerugian-kerugian tersebut dapat terjadi pada ketiga komponen sistem turbin gas. Sebab-sebab terjadinya kerugian antara lain:

Adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya kerugian tekanan (pressure losses) di ruang bakar.

Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompresi yang menyebabkan terjadinya gesekan antara bantalan turbin dengan angin.

Berubahnya nilai Cp dari fluida kerja akibat terjadinya perubahan temperatur dan perubahan komposisi kimia dari fluida kerja.

Adanya

mechanical loss

3. Turbin Angin

Turbin angin adalah kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik. Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat, dengan menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin.

Perhitungan daya yang dapat dihasilkan oleh sebuah turbin angin dengan diameter kipas r adalah :

dimana ρ adalah kerapatan angin pada waktu tertentu dan v adalah kecepatan angin pada waktu tertentu. umumnya daya efektif yang dapatdipanen oleh sebuah turbin angin hanya sebesar 20%-30%. Jadi rumus diatas dapat dikalikan dengan 0,2 atau 0,3 untuk mendapatkan hasil yang cuku peksak.

Prinsip dasar kerja dari turbin angin adalah mengubah energi mekanisdari angin menjadi energi putar pada kincir, lalu putaran kincir digunakan untuk memutar generator, yang akhirnya akan menghasilkan listrik. Sebenarnya prosesnya tidak semudah itu, karena terdapat berbagai macam sub-sistem yang dapat meningkatkan safety dan efisiensi dari turbin angin, yaitu :

1. Gearbox :

Alat ini berfungsi untuk mengubah putaran rendah pada kincir menjadiputaran tinggi. Biasanya Gearbox yang digunakan sekitar 1:60.

2. BrakeSystem :

Digunakan untuk menjaga putaran pada poros setelah gearbox agar bekerja pada titik aman saat terdapat angin yang besar. Alat ini perlu dipasang karena generator memiliki titik kerja aman dalam pengoperasiannya.

3. Generator

Ini adalah salah satu komponen terpenting dalam pembuatan sistem turbin angin. Generator ini dapat mengubah energi gerak menjadi energi listrik.

4. Penyimpan energi

Karena keterbatasan ketersediaan akan energi angin (tidak sepanjang hari angin akan selalu tersedia) maka ketersediaan listrik pun tidakmenentu. Oleh karena itu digunakan alat penyimpan energi yang berfungsi sebagai back-up energi listrik. Ketika beban penggunaan daya listrik masyarakat meningkat atau ketika kecepatan angin suatu daerah sedang menurun, maka kebutuhan permintaan akan daya listrik tidak dapat terpenuhi. Oleh karena itu kita perlu menyimpan sebagianenergi yang dihasilkan ketika terjadi kelebihan daya pada saat turbin angin berputar kencang atau saat penggunaan daya pada masyarakat menurun.

5. Rectifier-inverter

Rectifier berarti penyearah. Rectifier dapat menyearahkan gelombang sinusodal (AC) yang dihasilkan oleh generator menjadi gelombang DC. Karena kebanyakan kebutuhan rumah tangga menggunakan catu daya AC , maka diperlukan inverter untuk mengubah gelombang DC yang dikeluarkan oleh aki menjadi gelombang AC, agar dapat digunakan olehrumah tangga.

4. Turbin Air

Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuktenaga industri untuk jaringan listrik. Turbin air aliran kedalam mempunyai susunan mekanis yang lebih baik dan semua turbin reaksi modern menggunakan desain ini. Putaran massa air berputar hingga putaran yang semakin cepat, air berusaha menambah kecepatan untuk membangkitkan energi.

Pada umumnya semua turbin air hingga akhir abad 19 (termasuk kincir air) merupakan mesin reaksi; tekanan air yang berperan pada mesin dan menghasilkan kerja. Sebuah turbin reaksi membutuhkan air yang penuh dalam proses transfer energi. Aliran air diarahkan langsung menuju sudu-sudu melalui pengarah, menghasilkan daya pada sirip. Selama sudu berputar, gaya bekerja melalui suatu jarak, sehingga menghasilkan kerja. Dalam proses ini, energi ditransfer dari aliran air ke turbin. Turbin air dibedakan menjadi dua kelompok, yaitu turbin reaksi dan turbin impuls. Kepresisian bentuk turbin air, apapun desainnya, semua digerakkan oleh suplai tekanan air.

D. Klasifikasi Turbin

Ada banyak jenis dari turbin, namun berdasarkan penurunan tekanan dapat dibagi atas :

1. Turbin Impuls

Turbin impuls merubah aliran semburan air. Semburan turbin membentuksudut yang membuat aliran turbin. Hasil perubahan momentum (impuls) disebabkan tekanan pada sudu turbin. Sejak turbin berputar, gaya berputar melalui kerja dan mengalihkan aliran air dengan mengurangi energi. Sebelum mengenai sudu turbin, tekanan air (energi potensial)dikonversi menjadi energi kinetik oleh sebuah nosel dan difokuskan pada turbin. Tidak ada tekanan yang dirubah pada sudu turbin, dan turbin tidak memerlukan rumahan untuk operasinya. Hukum kedua NewtonmengGambarkan transfer energi untuk turbin impuls. Turbin impuls paling sering digunakan pada aplikasi turbin tekanan sangat. Pada turbin jenis ini, proses ekspansi (penurunan tekanan) fluida terjadipada sudu-sudu tetap turbin. Contohnya : Turbin Pelton, Turgo, Crossflow dan Screw.

a. Turbin Pelton

Turbin Pelton disebut juga turbin impuls atau turbin tekanan rata atau turbin pancaran bebas karena tekanan air keluar nosel sama dengan tekanan atmosfer. Dalam instalasi turbin ini semua energi (geodetik dan tekanan) dirubah menjadi kecepatan keluar nosel. Energi yang masuk kedalam roda jalan dalam bentuk energi kinetik. Ketika melewati roda turbin, energi kinetik tadi dikonversikan menjadi kerja poros dan sebagian kecil energi ada yang terlepas dan ada yang digunakan untuk melawan gesekan dengan permukaan sudu turbin.

Semua energi tinggi dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan. Pancaran air tersebut yang akan menjadi gaya tangensial F yang bekerja pada sudu roda jalan. Kecepatan pancaran air dari nosel adalah sebagai berikut ;

Ukuran-ukuran utama turbin pelton adalah diameter lingkar sudu yang kena pancaran air, disingkat diameter lingkaran pancar dan diameter pancaran air. Pengaturan nosel akan menentukan kecepatan dari turbin. Untuk turbin-turbin yang bekerja pada kecepatan tinggi

jumlah nosel diperbanyak Hubungan antara jumlah nosel dengan keceptan sepesifik adalah sebagai berikut.

Dimana nqT = kecepatan spesifik pada z nosel (rpm)

z = jumlah nosel terpasang

Turbin Pelton biasanya berukuran besar. Hal ini dapat dimaklumi karena turbin tersebut dioperasikan pada tekanan tinggi dan perubahan momentum yang diterima oleh sudu-sudu turbin sangat besar,sehingga dengan sendirinya struktur turbin harus kuat. Pada turbin Pelton, semua energi tinggi temapta dan tekanan ketika masuk ke sudujalan turbin telah diubah menjadi enrgi kecepatan.

Turbin Pelton terdiri dari dua bagian utama yaitu nosel dan roda jalan (runner). Nosel mempunyai beberapa fungsi, yakni mengarahkan pancaran air ke sudu turbin, mengubah tekanan menjadi energi kinetikdan mengatur kapasitas kecepatan air yang masuk turbin.

Jarum yang terdapat pada nosel berguna untuk mengatur kapasitas air dan mengarahkan konsentrasi air yang terpancar dari mulut nosel. Panjang jarum sangat menentukan tingakt konsentrasi dari air, semakin panjang jarum nosel maka air akan emakin terkonsentrasi untuk memancarkan ke sudu jalan turbin.

Roda jalan pada turbin berbentuk pelek (rim) dengan sejumlah sudu disekelilingnya. Pelek ini dihubungkan dengan poros dan seterusnya akan menggerakan generator. Sudu turbin Pelton berbentuk elipsoida atau disebut juga dengan bucket dan ditengahnya mempunyai pemisah air (splitter).

b. Turbin Turgo

Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbinpelton turbin turgo merupakan turbin impuls, tetapi sudunya berbeda.Pancaran air dari nozel 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.

c. 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.

Turbin aliran pemasukan air ke sudu turbin secara radial. Air dialirkan melewati sudu-sudu jalan yang membentuk silinder, pertama-tama air dari luar masuk ke dalam silinder sudu-sudu dan kemudian dari dalam ke luar. Jadi kerjanya roda jalan turbin ini adalah seperti turbin pelton yaitu hanya sebagian sudu-sudu saja bekerja mebalikkan aliran air.

Turbin Crossflow menggunakan nozel 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.

d. Turbin Screw

Turbin screw merupakan pembalikan dari fungsi pompa screw. pompa secrew sendiri ditemukan oleh seorang ilmuwan yunani telah lebih dari 21 abad yang lalu dan sampai saat ini pompa ini masih dipakai. pada awalnya archimedes menciptakan pompa ini bertujuan untuk mengeluarkan air dari bagian dalam kapal. Kemudian archimedes sendiri merancang ulang pompa ini untu digunaan untuk menaikkan air dari sungai.

2. Turbin Reaksi

Turbin reaksi digerakkan dengan air, yang merubah tekanan sehingga melewati turbin dan menaikkan energi. Turbin reaksi harus menutup untuk mengisi tekanan air (pengisap) atau mereka harus sepenuhnya terendam dalam aliran air. Pada turbin jenis ini, proses ekspansi (penurunan tekanan) fluida terjadi pada sudu-sudu pengarah (tetap) dan sudu-sudu penggerak (jalan). Contohnya : Turbin Francis, Turbin Kaplan dan Turbin Propeller.

a. Turbin Francis

Turbin francis merupakan jenis turbin merupakan jenis turbin tekananlebih. Sudunya terdiri atas sudu pengarah dan sudu jalan, yang keduanya terendam dalam air. Perubahan energi terjadi seluruhnya dalam sudu pengarah dan sudu gerak, dengan mengalirkan air ke dalam sebuah terusan atau dilewatkan ke dalam dengan mengalirkan air ke dalam sebuah cincin yang berbentuk spiral atau rumah keong.

b. Turbin Kaplan

Turbin Kaplan merupakan turbin tekanan yang spesial. Sudu jalannya kemurniannya kecil dan pada saluran sudu jalan belokannya kecil. Sudu jalan dapat diatur saat bekerja, kedudukannya dapat diatur dan disesuaikan dengan tinggi jatuh air sehingga sesuai untuk pusat tenaga air pada aliran sungai. Sudu roda jalan turbin Kaplan mirip roda propeller, yang letak sudunya terpisah jauh satu sama lainnya.

Turbin Kaplan terdiri atas bermacam-macam tipe yaitu seperti Table 2.1 dan dapat dilihat pada Gambar 2.25 bawah ini :

Tabel 2.1 Tipe Turbin Kaplan

Vertical kaplan Vertical semi kaplan siphon

Inverse semi kaplan siphon Kaplan S

Kaplan inclined right angel Semi kaplan in pit

Inclined semi kaplan siphon

c. Turbin Propeller

Pada dasarnya turbin propeller terdiri dari sebuah propeller (baling-baling), yang sama bentuknya dengan baling-baling kapal laut, yang dipasang pada tabung setelah pipa pesat. Turbin propellerbiasanya mempunyai tiga sampai enam sudu, biasanya tiga sudu untuk turbin yang mempunyai head sangat rendah dan aliran air diatur oleh sudu statis atau wicket gate yang dipasang tepat di hulu propeller. Turbin propeller ini dikenal sebagai fixed blade axial flow turbine karena sudut sudu rotornya tidak dapat diubah. Efisiensi operasi turbin pada beban sebagian (part-flow) untuk turbin jenis ini sangatrendah.

E. Segitiga Kecepatan

1. Turbin Aksi

Segitiga Kecepatan Pada Turbin Pelton

Pada roda turbin, terdapat sudu dan fluida kerja yang mengalir melalui ruang diantara sudu tersebut. Apabila kemudian ternyata bahwa roda turbin dapat berputar, maka tentu ada gaya yang bekerja pada sudu. Gaya tersebut timbul karena terjadinya perubahan momentumdari fluida kerja yang mengalir diantara sudu. Jadi, sudu haruslah dibentuk sedemikian rupa sehingga dapat terjadi perubahan momentum pada fluida kerja tersebut.

Kecepatan blade (blade velocity), dimana kecepatannya searah kecepatan sudut dan tegak lurus poros, dilambangkan dengan u.

Kecepatan relatif, dimana kecepatannya searah penampang blade, dilambangkan dengan Vj.

Kecepatan absolute, merupakan penjumlahan/resultan arah kecepatan blade dengan kecepatan relatif.

Untuk memudahkan analisisnya, maka pertama-tama akan diadakan beberapa idealisasi sebagai berikut:

1. Aliran tunak (steady), uniform parallel dan satu dimensi

2. Tidak ada benda lain di dalam ruang antara sudu-sudu

3. Pengaruh gravitasi diabaikan

2. Turbin Reaksi

Segitiga Kecepatan Pada Turbin Francis

Pada turbin Francis, air dilewatkan pada sebuah terusan atau pada sebuah cincin berbentuk spiral (rumah keong). Perubahan energi seluruhnya terjadi di dalam sudu pengarah dan sudu gerak. Aliran airmasuk ke sudu pengarah dengan kecepatan c1 dan energinya adalah:

Air yang keluar dari sudu pengarah dengan kecepatan c1 dan energinyaadalah:

Dalam mencapai kondisi seperti ini sebagian dari energi ketinggian Hsudah dipakai. Karena sudu pengarah harus membentuk sudu tertentu dan penampang bagian air keluar lebih sempit daripada penampang masuknya maka menurut persamaan kontinuitas kecepatan air yang lewatsudu pengarah naik dari c0 menjadi c1.

Dari u1, c1 dan α1, segitiga kecepatan masuk bisa diGambar, sehinggadidapat w1 dan sudut masuk β1, seperti pada Gambar 2.37. Selain itu juga bisa diperoleh harga c1u dan w1u. Dengan penurunan tekanan selanjutnya maka sisa energi yang masih ada akan bekerja di sudu jalan. Karena penyempitan saluran keluar sudu jalan A2, maka kecepatan air masuk w1 naik menjadi w2 = V/A2, yang sesuai dengan perbandingan A1:A2.

F. Sistem Pembangkit Listrik

Instalasi Turbin Pelton Pada PLTMH

Pemanfaatan energi air sudah banyak dimanfaatkan di negara kita, mulai dari teknologi yang sederhana seperti kincir air sampai yang menggunakan teknologi yang lebih canggih dengan menggunakan turbin. Cara pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH) ini bekerja hampirsama dengan pembangkit listrik tenaga air biasa, cuma metodenya sajayang berbeda. Pembangkit listrik tenaga air skala besar memanfaatkantenaga air dengan cara membuat dam besar yang selalu menimbulkan

masalah lingkungan maupun penggusuran. Sedangkan pltm memanfaatkan tenaga air hampir-hampir tidak menggangu aliran air tersebut. Untuk mendapatkan beda tinggi (head), air dialirkan ke Forebay. Dari sini air masuk ke pipa pesat dan dialirkan ke turbin. Air yang dialirkan memutar sudu-sudu turbin yang digunakan untuk memutar generator sehingga menghasilkan listrik.

Desain pembangkit listrik tenaga mikrohidro ini berbeda satu dengan lainnya, biasanya menyesuaikan dengan kondisi alam dimana PLTMH di bangun. Jenis turbin air yang biasa digunakan untuk pembangkit listrik tenaga mikrohidro ini tergantung head dan debit air yang tersedia. Yang biasa dipakai di indonesia adalah jenis turbin impuls(crossflow). Turbin crossflow mempunyai empat bagian utama yaitu nosel, runner, guide vane, dan casing. Air masuk keturbin melalui pipa pesat. Pada ujung pipa pesat dipasang adaptor, tempat merubah penampang menjadi persegi. Dari adaptor air masuk ke nosel yang berbentuk persegi dan menembakan air selebar runner (bentuk pancaranair persegi). Sebelum mengenai runner kecepatan dan sudut jatuh air ke runner. Untuk air dengan head 3 sampai 200 m dengan kapasitas aliran 0,03 sampai 10 meter kubik perdetik daya yang didapat antara 2 sampai 1500 kW – cukup untuk kebutuhan rumah tangga.

Klasifikasi jenis pembangkit dilihat dari daya keluaran turbin:

- Large-hydro; daya keluaran sampai 100 MW

- Medium-hydro; daya keluaran mulai 15 – 100 MW

- Small-hydro;daya keluaran mulai 1 – 15 MW

- Mini-hydro;daya keluaran mulai 100 kW- 1 MW

- Micro-hydro;daya keluaran mulai 5kW – 100 kW

- Pico-hydro;daya keluaran sampai 5kW

G. Kriteria Pemilihan Turbin

Ada beberapa faktor yang mendasari perencanaan dan pemilihan suatu turbin air. Faktor-faktor tersebut yang terutama antara lain adalah:

1. Debit aliran air

2. Head atau tinggi air jatuh

3. Kecepatan spesifik

4. Putaran turbin

5. Putaran pesawat yang digerakkan

6. Posisi poros turbin

7. Biaya pembangunan instalasi

Dari sekian banyak faktor tersebut di atas, yang paling menentukan adalah debit dan head aliran air. Ukuran atau dimensi turbin air sangat tergantung kepada debit dan head air ini. Debit air yang besar pada head tertentu akan memerlukan turbin air ukuran besar, dimensi turbin air cenderung lebih kecil. Dengan demikian debit dan head air ini secara tidak langsung akan menentukan biaya pembuatan turbin air berikut pembangkitnya.

Disamping itu debit dan head air ini beserta jumlah putaran pesawat yang digerakkannya akan mempengaruhi juga dalam penentuan putaran turbin sekaligus kecepatan spesifiknya. Demikian juga debit dan headair ini akan menentukan juga posisi turbin, yang mana turbin-turbin dengan debit air yang besar biasanya mempunyai poros vertikal.

Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang didapatkandan 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, efisiensinya baik dalam segala kondisi aliran.

Turbin kecil (umumnya dibawah 10 MW) mempunyai poros horisontal, dankadang dipakai juga pada kapasitas turbin mencapai 100 MW. 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.

Kecepatan Spesifik

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 tubin diberikan oleh perusahaan (dengan penilaian yang lainnya) dan dan selalu dapat diartikan sebagai titik efisiensi maksimum. Perhitungantepat ini menghasilkan performa turbin dalam jangkauan head dan debit tertentu. Adapun performan dan karakteristiknya dapat dilihat pada tabel 2.2 dan Gambar 2.33

Tabel 2.2Jenis roda turbin air dan kecepatan spesifiknya

Jenis Turbin Kecepatan Spesifik Efisiensi Tinggi Air Jatuh

ns, (rpm) ηt, (%) H, (ft)

Pelton 2 – 4 85 – 90 6000 – 2000

Francis 4 – 7 90 – 82 2000 – 400

30 – 82 90 – 94 500

82 – 90 ’94 – 93 500 – 70

Propeler 100 – 140 94 100 – 15

140 – 250 94 – 85 15 – 10

H. Daerah Pengunaan Jenis-Jenis Konstruksi Turbin

Pada Gambar berikut akan kelihatan daerah penggunaan jenis-jenis turbin. Pokok utama pada Gambar adalah adanya daerah penggunaan tipeturbin.

Daerah yang dibatasi dengan garis terdapat banyak jenis turbin yang dibuat, jadi sebenarnya garis tersebut sudah bukan merupakan garis batas lagi. Karena ada turbin yang titik muatan beban penuhnya (titik pada kondisi beban maksimum turbin) terletak di bawah atau diatas daerah yang diberi tanda. Titik beban penuh turbin dapat juga memang terletak di bawah daerah tersebut, bila dari kondisi tempat membutuhkan pemasangan turbin dengan tinggi khusus dan berdasarkan alas an untuk menghindari kavitasi sehingga dengan demikian harus dipilih kecepatan spesifik yang kecil.

I. Fenomena Pada Turbin

a. Kavitasi

Salah satu masalah yang sering timbul dalam perawatan turbin yaitu kavitasi. Kavitasi merupakan peristiwa terjadinya gelembung-gelembung uap yang kecil (minute microscopic bubbles) di dalam cairan (air) yang mengalir, dimana tekanan yang trjadi ditempat tersebut sama atau lebih rendah dari tekanan uap jenuhnya.

Pada saat gelembung-gelembung tersebut sampai pada daerah yang tekanannya lebih tinggi maka gelembung tersebut akan pecah dan mengakibatkan lubang-lubang kikisan pada permukaan dinding saluran hisap bagian atas (draft tube), sudu-sudu, dan rumah turbin. Selain itu juga akan menimbulkan getaran dan bunyi yang berisik. Kavitasi yang sangat besar akan menurunkan daya dan efisiensi turbin.

Kavitasi dapat diantisipasi atau dikurangi dengan cara antara lain :

1. Memasang turbin pada tempat yang cocok, yaitu dengan memperkeciltinggi hisap agar tekanan air lebih rendah dari tekanan uap jenuhnya.

2. Memperbaiki konstruksi dan diusahakan agar tidak terdapat belokan-belokan yang tajam.

3. Menggunakan material yang mampu menahan erosi akibat pengikisan yang ditimbulkan oleh pecahnya gelembung-gelembung uap yang dibawa oleh air, dan material yang tahan terhadap korosi.

Analisis kavitasi pada turbin reaksi akan dijelaskan dengan hukum Bernoulli dikerjakan pada Titik 1 dan Titik 2 sebagai berikut:

Tinggi kecepatan pada titik 1 berbanding lurus dengan tinggi terjun efektif H. Agar tidak terjadi kavitasi maka tinggi tekanan pada titik 1 harus lebih besar atau sama dengan tinggi tekanan kavitasi. Oleh karena itu, persamaan ini dapat ditulis sebagai :

dengan Hs adalah tinggi tekanan isap, Hv adalah tinggi tekanan kavitasi, Hatm adalah tinggi tekanan udara luar, σ adalah sigma turbin atau koefisien kavitasi, dan H adalah tinggi terjun netto/efektif.

b. Kecepatan Liar (Run Away Speed)

Kecepatan liar yaitu suatu kecepatan yang terjadi akibatpada waktu turbin bekerja dimana tiba-tiba bebannya dihentikan dengan tiba-tiba. Dalam hal tersebut timbul gejala bahwa roda turbinakan berputar dengan sangat cepat.

Kekuatan turbin harus diperhitungkan terhadap kecepatan liarnyauntukmencegah terjadinya kerusakan turbin atau generatornya. Kecepatan

liar turbin air dapat dilihat seperti pada tabel 2.2 (ref : Wiranto Arismunandar)

Tabel 2.3 Kecepatan liar turbin

Jenis Turbin Kecepatan liar(% Kecepatan Kerja)

KaplanFrancisImpuls (pelton) 250 – 300200≈ 200

Kecepatan liar juga dipengaruhi oleh koefisien kavitasi (σ ). Pengaruh karakteristik kavitasi terhadap kecepatan liarnya sangat kuat dalam suatu daerah σ tertentu dan juga tergantung dari jenis turbinnya. Kecepatan liar juga dipengaruhi oleh pembukaan pintu air atau katup, tetapi kecepatan liar yang maksimum tidak selalu terjadipada permukaan pintu air yang maksimum.

Kecepatan liar dapat diantisipasi atau dikurangi dengan cara, yaitu:pada bagian poros turbin dibuat suatu pengatur kecepatan (governor) yang dapat meredam putaran liar.

c. Water Hammer

Suatu peristiwa di mana timbulnya gelombang bertekanan akibat dari fluida yang mengalir tiba-tiba berhenti atau arah alirannya berubah (perubahan momentum). Water hammer juga terjadi akibat katup pada air keluar turbin di tutup secara tiba-tiba sehingga tekanan di dalam turbin meningkat. Selain tekanan tinggi juga terjadi gelombangkejut sehingga menimbulkan suara keras seperti suara menempa / pukulan. Ini dapat menyebabkan kerusakan pada turbin.

Water hammer dapat diantisipasi atau dikurangi dengan cara, yaitu: dengan membuat surge tank pada bagian atas dekat sumber air. Surge tank ini akan menampung air yang membalik pada saat katup ditutup, sehingga water hammer dapat dihindari.

DAFTAR PUSTAKA

Yunus. A. Cengel. Thermodinamics : An engineering. Apprach 4-ed. Mc-Graw Hill. New York. 2002

Dietzel, Fritz. Turbin, Pompa dan Kompresor. 1980. Erlangga. Jakarta.

Team Asisten LKE. 2011. “Panduan Praktikum Prestasi Mesin”. Jurusan Teknik Mesin FT-UA. Padang.

White, M, Frank. , Mekanika Fluida Edisi Kedua, Penerbit Erlangga, Jakarta : 1988

Dr-Ing. Uyung Gatot S Dinata. Diktat kuliah Termodinamika