Sumber : Gupta, S.C., 2006
f. Memprediksi ketinggian Z permukaan bebas p=patm
Setelah menghitung kecepatan tangensial fluida sepanjang vortex bebas, maka ketinggian permukaan bebas tersebut juga dapat dihitung dengan modifikasi
ketetapan bernoullli menjadi:
Sumber : Gupta, S.C., 2006 ket:
Z = Ketinggian permukaan bebas pada r tertentu r = jari-jari vortex tertentu
C = Konstanta kekuatan vortex
H = Total head vortex
2.3 Turbin Air
Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk industry pembangkit listrik. Sekarang lebih umum dipakai untuk generator listrik.
Turbin kini dimanfaatkan secara luas dan merupakan sumber energi yang dapat diperbaharukan. Kincir air sudah sejak lama digunakan untuk industri tenaga
listrik. Pada mulanya yang dipertimbangkan adalah ukuran kincirnya, yang membatasi debit dan head yang dapat dimanfaatkan. Perkembangan kincir air
menjadi turbin modern membutuhkan jangka waktu yang cukup lama. Perkembangan yang dilakukan dalam waktu revolusi industry menggunakan
Universitas Sumatera Utara
metode dan prinsip ilmiah. Mereka juga mengembangkan teknologi material dan
metode produksi baru pada saat itu.
Kata turbine ditemukan oleh seorang insinyur Perancis yang bernama Claude Bourdin pada awal abad 19, yang diambil dari terjemahan bahasa Latin
dari kata whirlingpusaran atau vorteks pusaran air. Perbedaan dasar antara turbin air awal dengan kincir air adalah komponen putaran air yang memberikan
energi pada poros yang berputar. Komponen tambahan ini memungkinkan turbin dapat memberikan daya yang lebih besar dengan komponen yang lebih kecil.
Turbin dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih cepat dan dapat memanfaatkan head yang lebih tinggi. Untuk selanjutnya dikembangkan turbin
impulse yang tidak membutuhkan putaran air. Turbin – turbin hidrolik berfungsi mengubah energi air menjadi energi
kinetik, kemudian energi kinetik akan diubah menjadi energi listrik oleh generator. Hal ini menyebabkan setiap pembahasan tentang turbin hidrolik akan
mengikutsertakan generator sebagai pembangkit listrik. 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 kinetik turbin menjadi input bagi generator dan diubah
menjadi energi listrik. Jadi turbin – turbin hidrolik menempati kunci dalam bidang teknik hidrolik dan memberikan kontribusi yang besar dari seluruh biaya proyek,
terutama untuk PLTA skalabesar.
2.3.1 Klasifikasi Turbin Air
Turbin hidrolik adalah suatu alat yang dapat menghasilkan torsi sebagai akibat gaya dinamik dan gaya tekan air, turbin hidrolik ini dapat dikelompokkan
menjadi dua tipe, yaitu : 1. Turbin Reaksi reaction turbine adalah turbin yang mengkombinasikan
energypotensial tekan dan energi kinetik untuk menghasilkan energi gerak.
Universitas Sumatera Utara
2. Turbin Impuls impuls turbine adalah turbin yang memanfaatkan energikinetik dari pancaran air yang berkecepatan tinggi untuk diubah
menjadienergi gerak. Diagram klasifikasi turbin air dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 2.7 Klasifikasi Turbin air Sumber : www.wikipedia.or.id
2.3.2 Turbin Reaksi Reaction Turbine
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
Turbin vortex
Universitas Sumatera Utara
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.
Gambar 2.8 Turbin Francis Sumber : Rajput Rames, 2000
2 Turbin Kaplan.
Tidak berbeda dengan turbin francis, turbin kaplan cara kerjanya menggunakan prinsip reaksi. Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan
Universitas Sumatera Utara
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
inidikarenakan sudu-sudu turbin kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban yang ada.
Gambar 2.9 Turbin Kaplan Sumber : Rajput Rames, 2000
2.3.3 Turbin Impuls Impulse Turbine
Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozzle atau sistem serupa nozzle. Air keluar nozle yang mempunyai kecepatan tinggi membentur
sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum impulse. Akibatnya roda turbin akan berputar.
Universitas Sumatera Utara
Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi
tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan.Adapun jenis – jenis turbin impuls adalah sebagai berikut :
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 nosel. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head
tinggi.
Gambar 2.10 Turbin Pelton Sumber : Rajput Rames, 2000
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. Turbin Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150 meter tetapi untuk skala mikro head 20 meter sudah mencukupi.
Universitas Sumatera Utara
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 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 2.11 Turbin Turgo Sumber : Rajput Rames, 2000
3 Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow Turbin Michell-Banki.
Pada turbin impuls pelton beroperasi pada head relatif tinggi, sehingga pada head yang rendah operasinya kurang efektif atau efisiensinya rendah. Karena
alasan tersebut, turbin pelton jarang dipakai secara luas untuk pembangkit listrik skala kecil. Sebagai alternatif turbin jenis impuls yang dapat beroperasi pada head
rendah adalah turbin crossflow atau turbin impuls aliran ossberger.Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 litressec hingga 10 m3sec dan head
antara 1 sd 200 m. Aliran air dilewatkan melalui sudu sudu jalan yang berbentuk silinder, kemudian aliran air dari dalam silinder ke luar melalui sudu-sudu. Jadi
perubahan energi aliran air menjadi energi mekanik putar terjadi dua kali yaitu pada waktu air masuk silinder dan air keluar silinder. Energi yang diperoleh dari
tahap kedua adalah 20nya dari tahap pertama.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.12 Turbin Cross Flow atau Banki Sumber : Rajput Rames, 2000
4 Turbin Vorteks
Turbin ini dinamakan sebagai Gravitation Water Vorteks Power Plant GWVPP oleh penemunya Frans Zotleterer berkebangsaan Austria, tetapi nama
turbin ini dikenal juga sebagai turbin Vorteks atau turbin pusaran air. Sesuai dengan namanya pusaran air, air ini memanfaatkan pusaran air buatan untuk
memutar sudu turbin dan kemudian energi pusaran air diubah menjadi energi putaran pada poros. Prosesnya air dari sungai dialirkan melalui saluran masuk ke
tanki turbin yang berbentuk lingkaran dan di bagian tengah dasar tanki terdapat saluran buang berupa lingkaran kecil. Akibat saluran buang ini maka air mengalir
akan membentuk aliran pusaran air. Ketinggian air head yang diperlukan untuk turbin ini 0,7 – 2 m dan debit berkisar 1000 liter per detik. Turbin ini sederhana,
mudah dalam perawatannya, kecil, kuat, dan bertahan hingga 50 – 100 tahun.
Gambat 2.13 Tubin Vorteks Sumber : Rajput Rames, 2000
Universitas Sumatera Utara
2.4 Turbin Vorteks
Kategori