Tenaga air Sejarah Turbin

Air mengalir melalui turbin akan memberikan tenaga pada penggerak runner turbin dan membuat runner itu berputar. Poros dari penggerak turbin berhubungan dengan poros generator sehingga energi kinetic turbin menjadi input bagi generator dan diubah menjadi energi listrik. Jadi turbin turbin hidraulik menempati kunci dalam bidang teknik hidraulik dan memberikan kontribusi yang besar dari seluruh biaya proyek, terutama untuk PLTA skala besar.

2.1 Tenaga air

Tenaga air merupakan sumber daya energi yang penting setelah tenaga uap atau panas. Hampir 30 dari seluruh kebutuhan tenaga di dunia dipenuhi oleh pusat pusat listrik tenaga air. Banyak Negara yang hampir seluruh kebutuhan energinya berasal dari tenaga air. Penggunssn tenaga air sebagai sumber energi, terutama untuk pembangkit tenaga listrik, memiliki kelebihan dibanding sumber energi lainnya.

2.2 Sejarah Turbin

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 simpel 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 kedalam. Pada tahun 1826, Benoit Fourneyon mengembangkan turbin aliran keluar. Turbin ini sangan efisien ~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. Universitas Sumatera Utara Bentuk sudunya mirip dengan turbin Francis. Pada tahun 1849, James B. Francis meningkatkan efisiensi turbin reaksi aliran kedalam hingga lebih dari 90. Dia memberikan test yang memuaskan dan mengembangkan metode engineering untuk desain turbin air. 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 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. Energi tadi 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 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. Pada tahun 1866, tukang pembuat gilingan di California, Samuel Knight menemukan sebuah mesin yang mengerjakan tuntas sebuah konsep yang berbeda jauh. Terinspirasi dari system jet tekanan tinggi yang digunakan dalam lapangan pengeboran emas hidrolik, Knight mengembangkan ceruk kincir yang dapat menangkap energi dari semburan jet, yang ditimbulkan dari energi kinetik air pada sumber yang cukup tinggi ratusan kaki yang dialirkan melalui sebuah pipa saluran. Turbin ini disebut turbin impulse atau turbin Universitas Sumatera Utara tangensial. Aliran air mendorong ceruk disekeliling kincir turbin pada kecepatan maksimum dan jatuh keluar sudu dengan tanpa kecepatan. Pada tahun 1879, Lester Pelton, melakukan percobaan dengan kincir Knight, dikembangkanlah desain ceruk ganda yang membuang air kesamping, menghilangkan beberapa energi yang hilang pada kincir Knight yang membuang sebagian air kembali melawan kincir. Sekitar tahun 1895, William Doble mengembangkan ceruk setengah silinder milik Pelton menjadi ceruk berbentuk bulat memanjang, termasuk sebuah potongan didalamnya yang memungkinkan semburan untuk membersihkan masukan ceruk. Turbin ini merupakan bentuk modern dari turbin Pelton yang saat ini dapat memberikan efisiensi hingga 92. Pelton telah memprakarsai desain yang efektif, kemudian Doble mengambil alih perusahaan Pelton dan tidak mengganti namanya menjadi Doble karena nama Pelton sudah dikenal. Turgo dan turbin aliran silang merupakan desain turbin impulse selanjutnya. Turbin air terdapat dalam suatu pembangkit listrik berfungsi untuk mengubah energi potensial yang dimiliki air menjadi energi kinetic. Selanjutnya energi kinetic ini akan dirubah menjadi energi elektrik melalui generator. Hal ini menyebabkan setiap pembahasan tentang turbin hidrolik akan mengikutsertakan generator sebagai pembangkit listrik. Turbin hidraulik adalah suatu alat yang dapat menghasilkan torsi sebagai akibat gaya dinamik dan gaya tekan air, turbin hidraulik ini dapat dikelompokan menjadi dua tipe, yaitu : 1. Turbin Impuls impuls turbine adalah turbin yang memanfaatkan energi kinetic dari pancaran air yang berkecepatan tinggi untuk diubah menjadi energi gerak. 2. Turbin Reaksi reaction turbine adalah turbin yang mengkombinasikan energi potensial tekan dan kinetic untuk menghasilkan energi gerak. 2.2.1 Turbin Impuls Impuls Turbine Universitas Sumatera Utara Turbin impuls merubah aliran semburan air. Semburan turbin membentuk sudut 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 Newton menggambarkan transfer energi untuk turbin impuls. Turbin impuls paling sering digunakan pada aplikasi turbin tekanan sangat tinggi. Adapun jenis jenis turbin impuls adalah sebagai berikut : 1. Turbin Pelton Salah satu turbin impuls yang dipergunakan adalah roda Pelton Pelton Wheel yang pertama kali dibuat oleh Lester Pelton. Energi potensial aliran air dari penampungan saat melalui pipa penstock diubah menjadi energi kinetic dalam pancaran air dengan sudu penggerak impuls, baik tunggal maupun ganda. Pancaran air mengenai sudu gerak dengan arah tangensial sehingga membentuk jejak melingkar sepanjang diameter sudu dan tekanan atmosfer. 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 nosel. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi. Gambar 2.1 Turbin Pelton. Universitas Sumatera Utara Sumber: http:europa.eu.intencommdg17hydrolayman2.pdf 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 nosel. Dengan demikian diameter pancaran air bisa diperkecil dan ember sudu lebih kecil. Gambar 2.2 Turbin Pelton dengan banyak nozle. Sumber. http:en.wikipedia.orgwikipelton_wheel Turbin Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150 meter tetapi untuk skala mikro head 20 meter sudah mencukupi. Secara ringkas mengenai turbin impuls, dapat dilihat pada gambar berikut : Gambar 2.3 Turbin Impuls Universitas Sumatera Utara Pancaran air yang mengenai sudu penggerak runner diatur dengan menggunakan pipa jarum berbentuk gelembung buble shape dalam nozzle kedudukan atau posisi dari pancaran air yang mengenai runner turbin akan sangat berpengaruh dalam menghasilkan energi kinetic turbin. Turbin impuls biasanya digunakan untuk PLTA dengan head yang lebih besar dari 200 meter. 2. Turbin Turgo Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 sd 300 m. Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozle 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 . Gambar 2.4 Sudu turbin turgo dan nozzle . Sumber: http:europa.eu.intencommdg17hydrolayman2.pdf 3. Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow Turbin Michell-Banki Tipe turbin impuls lainnya dalah turbin cross flow Stapenhorst, 1978 yang biasa disebut sebagai turbin banki atau turbin Mitchell. Turbin ini akan di bahas lebih lanjut. Universitas Sumatera Utara 2.2.2 Turbin Reaksi Reaction Turbine 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. Hukum ketiga Newton menggambarkan transfer energi untuk turbin reaksi. Turbin air yang paling banyak digunakan adalah turbin reaksi. Turbin reaksi digunakan untuk aplikasi turbin dengan head rendah dan medium. 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. Hukum ketiga Newton menggambarkan transfer energi untuk turbin reaksi. Turbin air yang paling banyak digunakan adalah turbin reaksi. Turbin reaksi digunakan untuk aplikasi turbin dengan head rendah dan medium. Dalam pengoperasian turbin reaksi, ruang penggerak dan draft tube penuh dengan air. Hal ini dimaksudkan untuk memperoleh tinggi hidraulik yang besar. Gambar berikut memperlihatkan skema dari turbin reaksi. Gambar 2.5 Skema Turbin Reaksi Universitas Sumatera Utara 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 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. Untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang tepat. Universitas Sumatera Utara Gambar 2.6 Turbin Francis Sumber. http:en.wikipedia.orgwikifrancis_turbine 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 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. Universitas Sumatera Utara Gambar 2.7 Turbin Kaplan dengan sudu jalan yang dapat diatur. Sumber : http:202.90.195.156bsesmksmk1220TeknikMesinIndustri20Sunyoto.pdf Turbin Air Turbin impuls Turbin reaksi Turbin pelton Turbin turgo Turbin ossberger Turbin francis Turbin kaplan Universitas Sumatera Utara Gambar 2.8 Diagram klasifikasi turbin air. 2.3 Perbandingan Karakteristik Turbin Perbandingan karakteristik turbin dapat kita lihat pada grafik head m vs flow m 3 s di bawah ini. Gambar 2.9 Perbandingan karakteristik Turbin. Sumber : http:202.90.195.156bsesmksmk1220TeknikMesinIndustri20Sunyoto.pdf Dapat dilihat pada grafik 2.1 turbin kaplan adalah turbin yang beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi atau bahkan beroperasi pada kapasitas yang sangat rendah. Hal ini karena sudu sudu turbin kaplan dapat diatur secara manual atau otomatis untuk merspon perubahan kapasitas. Berkebalikan dengan turbin kaplan, turbin pelton adalah turbin yang beroperasi pada head tinggi dengan kapasitas yang rendah. Untuk turbin francis mempunyai karakteristik Universitas Sumatera Utara yang berbeda dengan yang lainnya yaitu turbin francis dapat beroperasi pada head yang rendah atau beroperasi pada head yang tinggi. Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang didapatkan dan 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, dan kadang dipakai juga pada kapasitas turbin mencapai 100 MW. 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. Beberapa turbin impuls menggunakan beberapa semburan air tiap semburan untuk meningkatkan kecepatan spesifik dan keseimbangan gaya poros. Aplikasi penggunaan turbin berdasarkan tinggi head yang didapatkan adalah sebagai berikut ini : 1 Turbin Kaplan : 2 H 100 meter 2 Turbin Francis : 5 H 500 meter 3 Turbin Pelton : H 30 meter 4 Turbin Banki : 2 H 200 meter

2.4 Kecepatan spesifik turbin