Uji Eksperimental Pada Turbin Kaplan dan Analisa Performansi Dengan Variasi Jumlah Sudu Gerak Terhadap Sudut Sudu Pengarah 20o dan Jarak Vertikal 20 Cm

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA

2.1.

Turbin Air
Turbin air termasuk dalam kelompok mesin fluida yaitu, mesin yang

berfungsi untuk mengubah energi fluida (energi potensial dan energi kinetis air)
menjadi energi mekanis atau sebaliknya. Mesin ini berfungsi untuk mengubah
energi fluida menjadi energi mekanis pada poros. misalnya : turbin air, turbin uap,
turbin gas, kincir air, kincir angin dan lainnya. Pompa, kompresor, blower, fan dan
lain-lain berfungsi untuk mengubah energi mekanis pada poros menjadi energi
fluida (energi potensial dan energi kinetis).
Menurut sejarahnya, turbin-turbin air yang sekarang berasal dari kincirkincir air pada zaman abad pertengahan yang dipakai untuk memecah batubara dan
pabrik gandum. Salah satu kincir air tersebut dapat dilihat di Aungrabad, India yang
telah berumur 400-an tahun.
Walaupun banyak terdapat desain turbin hidrolik dengan masing-masing
keistimewaannya, secara umum hampir semua turbin dapat diklasifikasikan dalam
dua tipe dasar turbin impuls dan turbin reaksi. Secara umum turbin impuls
merupakan mesin dengan head yang tinggi, dan laju aliran yang rendah, sedangkan

turbin reaksi merupakan mesin dengan head yang rendah dan laju aliran yang
tinggi.
Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat, karena
pada air tersimpan 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.
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

5

Universitas Sumatera Utara

kincir air/turbin air. Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah
merupakan energi potensial air yaitu :
�=

Di mana:

. . ℎ ………………………………………………………… (2.1)

Ep = energi potensial air ( Joule )
m

= massa air ( kg )

g

= percepatan gravitasi ( m/s2 )

h

= head ( m )
Daya merupakan energi tiap satuan waktu

E

sehingga persamaan (2.1)

dapat dinyatakan sebagai:

=

. .ℎ

…………………………………………………………... (2.2)

Dengan mensubstisusikan P terhadap

dan ρQ terhadap

maka persamaan

(2.1) dapat dinyatakan sebagai berikut:

Dimana:

=

. . . ℎ ……………………………………………………... (2.3)

P = daya air ( watt )
ρ = densitas air ( kg/m3 )
Q = kapasitas aliran ( m3/s )
Selain memanfaatkan air jatuh, tenaga air (hydropower) dapat diperoleh dari
aliran air datar di mana energi yang tersedia merupakan energi kinetik.

Dimana:

�=

� …….………………………………………………… (2.4)

Ek = energi kinetik ( Joule )
v = kecepatan aliran air ( m/s )
Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut:

�=

� ……………………………………………………... (2.5)

6

Universitas Sumatera Utara

2.2

Sejarah Turbin Air
Kata "turbine" ditemukan oleh seorang insinyur Perancis yang bernama

“Claude Bourdin” pada awal abad 19, yang diambil dari terjemahan bahasa Latin
dari kata "whirling" (putaran) atau "vortex" (pusaran air). Perbedaan dasar antara
turbin air 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 impuls yang tidak
membutuhkan putaran air.
Sejarah ditemukannya turbin yaitu bermula dari ditemukannya kincir air
yang sudah sejak lama digunakan untuk tenaga industri. 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 industri menggunakan metode dan prinsip ilmiah. Mereka juga
mengembangkan teknologi material dan metode produksi baru pada saat itu.
“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 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 ke dalam.
Pada tahun 1826, “Benoit Fourneyon” mengembangkan turbin aliran keluar.
Turbin ini sangat efisien hingga 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. Bentuk sudunya mirip

dengan turbin Francis. Pada tahun 1849, James B. Francis meningkatkan efisiensi
turbin reaksi aliran ke dalam hingga lebih dari 90%. Dia memberikan tes yang
memuaskan dan mengembangkan metode engineering untuk desain turbin air.

7

Universitas Sumatera Utara

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 ke dalam mempunyai susunan mekanis yang lebih baik dan
semua turbin reaksi modern menggunakan desain ini. Putaran massa air berputar
hingga putaran air yang semakin cepat membangkitkan energi. Energi tersebut
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 tahun 1993, Fritz Dietzel menjelaskan bahwa turbin Kaplan sesuai
dengan persamaan Euler yaitu semakin kecil tinggi air jatuh yang tersedia, maka
semakin kecil pula belokan aliran air di dalam sudu jalan. Dengan bertambahnya
kapasitas air yang masuk ke dalam turbin, makin akan bertambah besar pula luas
penampang saluran yang dialiri air, dan dengan demikian maka kecepatan putar
turbin bisa ditentukan/ dipilih lebih tinggi. Jika ditemukan kecepatan spesifik
bertambah, maka 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 dahulu besarnya perubahan tinggi
air jatuhnya sepanjang tahun. Dan aliran sungai tersebut bisa diatur melalui
bendungan. Semakin besar kapasitas air yang mengalir pada saat air tinggi, akan
makin kecil tinggi air jatuh yang bisa dimanfaaatkan, karena tinggi permukaan air
atas adalah tetap konstan sedangkan air kelebihan pada permukaan air bawah akan
naik.
Turbin yang bekerja pada tinggi air jatuh yang berubah-ubah mempunyai
kerugian, karena dalam perencanaan sudu turbin telah disesuaikan bahwa

8

Universitas Sumatera Utara

perpindahan energi yang baik hanya terjadi pada titik normal yaitu pada kondisi
perbandingan kecepatan dan tekanan tertentu. Bila terjadi penyimpangan yang
besar baik ke atas maupun ke bawah, seperti yang terdapat pada pusat listrik tenaga
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 atau dihubungkan langsung ke generator dan ukurannya pun lebih
kecil. Oleh Prof. Kaplan (Bruun, 1878-1934), turbin baling-baling dikembangkan
sedemikian rupa sehingga sudu jalannya dapat diputar dalam leher poros. Jadi
dengan demikian, sudut sudu dapat diatur sesuai dengan kondisi saat itu.
Nainggolan, David Permadi (2014), menjelaskan dalam penelitian rancang
bangun turbin Kaplan pada head satu meter dengan laju aliran 0,00088 m3/s,
dimana sudut sudu pengarah (guide vane) yang digunakan 45o dan variasi sudu
turbin (runner blade) 4,5,dan 6 menghasilkan kesimpulan pada 4 runner blade
menghasilkan putaran turbin 160 rpm, pada 5 runner blade menghasilkan putaran

turbin 186 rpm, dan pada 6 runner blade menghasilkan putaran turbin 182 rpm.
Dengan demikian diperoleh kesimpulan bahwa putaran tertinggi terjadi pada 5
runner blade dengan sudut pengarah ( guide vane ) 45o.

2.3. Komponen Turbin
2.3.1. Stator
Stator turbin terdiri dari dua bagian, yaitu casing dan sudu diam (fixed
blade). Namun untuk tempat kedudukan sudu-sudu diam yang pendek dipasang
diafragma.
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 di luar casing dipasang
bantalan yang berfungsi untuk menyangga rotor.

9

Universitas Sumatera Utara

b. Sudu Tetap

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
diafragma.

2.3.2. Rotor
Rotor adalah bagian turbin yang berputar terdiri dari poros dan sudu-sudu
gerak yang terpasang mengelilingi rotor.
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
Sudu gerak 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
c. Bantalan
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 mengurangi 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 keperluan ini disebut bantalan (bearing).

10

Universitas Sumatera Utara

2.4.

Klasifikasi Turbin Air
Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, namun yang

paling utama adalah klasifikasi turbin air berdasarkan cara turbin air tersebut
merubah energi potensial air menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini,
maka turbin air dibagi menjadi dua yaitu:
1. Turbin impuls
2. Turbin reaksi

2.4.1. Turbin Impuls
Turbin impuls adalah turbin yang bekerja karena aliran air. Energi potensial
air diubah menjadi energi kinetik pada nosel. Air keluar nosel yang mempunyai
kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah
kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse).
Akibatnya sudu gerak akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama
karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan
atmosfer sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke
sudu jalan turbin diubah menjadi energi kecepatan. Dengan demikian, kecepaan
aliran air dapat diperoleh:
Energi potensial air = energi kinetik air
m. g. h =

dimana:

mv

v = √ . g. h …………………………...(2.6)

m

= massa (kg)

h

= ketinggian/ head (m)

v

= kecepatan aliran (m/s)

g

= percepatan gravitasi (m/s2)

2.4.1.1. Turbin Pelton
Turbin Pelton ditemukan pada tahun 1870-an oleh Lester Allan Pelton.
Turbin Pelton termasuk dalam kelompok jenis turbin impuls. Karakteristik
umumnya adalah pemasukan sebagian aliran air ke dalam runner pada
tekanan atmosfir. Pada turbin Pelton, puntiran terjadi akibat pembelokan

11

Universitas Sumatera Utara

pancaran air pada mangkok ganda runner. Oleh karena itu maka turbin
Pelton juga disebut turbin pancaran bebas. Penyempurnaan terbesar yang
dilakukan Pelton (sebagai penemu turbin) yakni dengan menerapkan
mangkok ganda simetris. Bentuk ini pada dasarnya masih tetap berlaku.
Punggung pembelah membagi jet menjadi dua paruh yang sama, yang
dibelokkan menyamping. Pada dasarnya turbin terdiri atas runner, nosel dan
rumah turbin.

Gambar 2.1. Turbin Pelton
(Sumber : Turbin, Pompa dan Kompresor, Fritz Diesel)

2.4.1.2 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.

12

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.2. Turbin Turgo
(Sumber: http://sistem-tenaga-listrik.blogspot.co.id/2011/05/plta-pembangkitlistrik-tenaga-air-part.html diakses pada kamis, 6 Oktober 2016 pukul 01.00 WIB)

2.4.1.3 Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow
Tipe turbin impuls lainnya dalah turbin Crossflow (Stapenhorst, 1978) yang
biasa disebut sebagai turbin banki atau turbin Mitchell. Turbin cross flow
merupakan turbin impuls yang berporos horizontal bekerja dengan cara
tekanan air dikonversikan menjadi energi kinetik di inlet adaptor. Aliran air
yang menyebabkan berputarnya runner setelah berbenturan pertama dengan
sudu turbin, kemudian menyilang (cross flow) mendorong sudu tingkat
kedua.

Gambar 2.3. Turbin Crossflow
(Sumber : Turbin, Pompa dan Kompresor, Fritz Diesel)

13

Universitas Sumatera Utara

2.4.2. Turbin Reaksi
Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan
merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir. Turbin reaksi
disebut juga turbin tekanan lebih dimana tekanan air masuk sudu lebih besar dari
tekanan air keluar sudu.
Perbedaannya dengan turbin impuls, turbin reaksi memiliki sudu tetap/sudu
pengarah dan sudu gerak. Sudu tetap (guide vane) mengarahkan aliran air masuk
ke sudu gerak. Kecepatan air keluar sudu gerak sangat tinggi sehingga tekanannya
rendah (vakum). Untuk memperbesar tekanan air digunakan draft tube yang
menghubungkan sisi keluar turbin dengan permukaan air bawah. Karena
tekanannya rendah, sering juga terjadi kavitasi, yaitu pecahnya gelembunggelembung uap air di dalam turbin.

2.4.2.1. Turbin Francis
Adapun turbin Francis diciptakan oleh James Francis Bichens dari Inggris.
Termasuk jenis turbin reaksi dengan arah aliran aksial-radial. Turbin ini
beroperasi pada head (tinggi jatuh) 10 – 650 meter, dapat menghasilkan
daya 10 – 750 MW dengan Ns (spesific speed) 83 – 1000 rpm. Pada
umumnya turbin ini di desain dengan posisi poros vertikal untuk menjaga
agar air tidak mengenai rumah generator dan peralatan bantu lainnya.
Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air
bertekanan rendah di bagian keluar. Sudu pengarah pada turbin Francis
merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang
dapat diatur sudutnya.

Gambar 2.4. Turbin Prancis
(Sumber : Turbin, Pompa dan Kompresor, Fritz Diesel)

14

Universitas Sumatera Utara

2.4.2.2. Turbin Kaplan
Turbin Kaplan (Propeler) adalah salah satu turbin reaksi aliran aksial.
Turbin ini tersusun seperti propeller pada perahu. Propeller tersebut
biasanya mempunyai tiga hingga delapan sudu. Bila dibandingkan antara
turbin Francis dan turbin Kaplan mengenai kecepatan putar dan ukurannya
hampir tidak berbeda. Untuk beban tidak penuh, randemen turbin Kaplan
adalah lebih baik, sebab sudu pengarah dan sudu gerak pada waktu bekerja
sama-sama bisa diatur (Dietzel, Fritz. 1998).

Gambar 2.5. Turbin Kaplan
(Sumber : Turbin, Pompa dan Kompresor, Fritz Diesel)

2.4.2.2.1. Prinsip Kerja Turbin Kaplan
Turbin Kaplan memiliki kemiripan dengan turbin Francis dalam hal cara
kerjanya menggunakan prinsip turbin reaksi. Turbin ini mempunyai sudu
gerak yang mirip dengan baling-baling pesawat terbang. Bila balingbaling 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 listrik tenaga air sungai, karena
turbin ini mempunyai kelebihan dapat menyesuaikan head yang berubahubah 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
15

Universitas Sumatera Utara

mempunyai efisiensi paling tinggi, hal ini dikarenakan sudu-sudu turbin
Kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban yang ada.

Tabel 2.1. Persamaan dan Perbedaan Turbin Reaksi
Turbin Reaksi

Persamaan


Turbin Francis

Cara

kerja

Perbedaan
turbin

hampir sama.

 Sudu pengarahnya
saja

yang

dapat

diatur.
 Sewaktu
Turbin Kaplan

berkerja,

sudu pengarah dan
sudu gerak dapat
diatur

2.4.2.2.2. Komponen Utama Turbin Kaplan
Komponen-komponen utama turbin Kaplan adalah:
1. Rumah turbin (Spiral Chasing)
2. Sudu pengarah (Guide Vane)
3. Sudu gerak (Runner blade)
4. Draft tube

2.4.2.2.3. Dimensi Dasar Turbin Kaplan
Dimensi dasar turbin Kaplan bergantung pada diameter luar runner (D),
tinggi guide vane (B), jarak vertikal runner terhadap sisi dalam guide
vane (λ), dan diameter boss (Dd) .

16

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.6. Elemen Dasar Turbin Kaplan

Persamaan dasar untuk mencari diameter runner (D):
=

,

Dimana:

+ ,

�

√H
………….......…….………....…(2.7)
N

Ns = putaran spesifik (rpm)
N = putaran turbin (rpm)

Persamaan dasar untuk mencari tinggi guide vane (B) :
�=

.

−

,

�

… ….……...…………………………. (2.8)

Persamaan untuk mencari diameter dalam (Db):
=

�

−

………………………………………. (2.9)

2.4.2.2.4 Dimensi Dasar Runner Blade
Segitiga kecepatan masuk pada sudu gerak (runner blade) dapat dilihat
pada gambar berikut:

17

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.7. Segitiga Kecepatan Masuk Dan Keluar Sudu Gerak

Dimana,
Vf

= Kecepatan aliran air

Ub

= Kecepatan tepi (rim) diameter boss

U

= Kecepatan tepi (rim) diameter luar

Uwb

= Kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss

Uw

= Kecepatan pusaran air (whirl) diameter luar

��

= Sudut sudu (blade) pada area fluida masuk (inlet)

��

= Sudut sudu (blade) pada area fluida keluar (outlet)

Persamaan untuk mencari kecepatan aliran air adalah:
= √ . .

Persamaan untuk mencari kecepatan tepi (rim) diameter boss dan
diameter dalam (
=

=

�. 2.�

�. .�

b

dan ) adalah:

…………………...………………………….…. (2.10)

………………….....…………………………...… (2.11)

18

Universitas Sumatera Utara

Persamaan untuk mencari kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss
dan diameter dalam adalah :
�

=

=

��.�.ℎ
.

��.�.ℎ
.

..……..……………………………….….…. (2.12)
…..……………………………………….…. (2.13)

Persamaan untuk mencari sudut sudu (blade) pada area fluida masuk
(inlet) adalah:

�� =

�

…………………………………………. (2.14)

Persamaan untuk mencari sudut sudu (blade) pada area fluida keluar
(outlet) adalah:

� =

2.5.

�

..………………………………………. (2.15)

Karakteristik Turbin
Perbandingan karakteristik turbin dapat kita lihat pada grafik head (m)

vs flow (m3/s) dibawah ini.

19

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.8. Grafik Perbandingan Karakteristik Turbin
(Sumber : https://rahmanta13.wordpress.com/2011/05/20/turbin-air/)

Dapat dilihat pada gambar 2.8 turbin Kaplan adalah turbin yang beroperasi
pada head yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi. Hal ini karena sudu sudu turbin dapat diatur secara manual atau otomatis untuk merespon perubahan
kapasitas.

2.6 . Seleksi Awal Jenis Turbin
Seleksi awal dari jenis turbin yang cocok untuk suatu keperluan paling tepat
dilakukan dengan kecepatan spesifik (Ns). Dalam tabel 2.2 disajikan nilai kecepatan
spesifik (Ns) untuk berbagai jenis turbin. Tabel 2.2 dapat digunakan sebagai
panduan awal dalam pemilihan jenis turbin yang tepat untuk nilai Ns tertentu. Nilai
Ns yang tercantum dalam tabel 2.2 bukan nilai eksak.

20

Universitas Sumatera Utara

Untuk setiap jenis turbin terdapat suatu nilai kisaran tinggi terjun dan
kecepatan spesifik yang sesuai. Korelasi empiris antara terjun (H) dan kecepatan
spesifik (Ns) disajikan dibawah ini.

Untuk turbin Francis, Moody memperoleh korelasi sebagai berikut:

� =

�+ ,

+

……………………………..……………….…. (2.16)

� =

�+ ,

+

…………………………………………….…. (2.17)

Sedangkan untuk Kaplan, sebagai berikut:

Dengan H adalah tinggi terjun netto (m) dan Ns adalah kecepatan spesifik.

Tabel 2.2 Jenis-Jenis Turbin Air dan Kisaran Kecepatan Spesifiknya (Ns)
Jenis Turbin

Ns (metrik)

1. Turbin Impuls

a. Satu jet (Turbin Pelton)

4-30

b. Banyak jet (turbin Doble)

30-70

a. Francis

2. Turbin Reaksi

Ns rendah

50-125

Ns normal

125-200

Ns tinggi

200-350

Ns exspress

350-500

b. Propeller
Sudu tetap (Turbin Nagler)

400-800

Sudu dapat diatur (Turbin Kaplan) 500-1000
Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Air selalu diusahakan agar generator
dikopel langsung dengan turbin. Atau dengan kata lain putaran turbin terbatas
pemilihannya agar dapat dikopel dengan generator. Putaran turbin berhubungan
dengan putaran spesifik, atau dapat dituliskan sebagai berikut:

� =

Di mana:

� √�
�

………..……………………………………………...… (2.18)

Ns = putaran spesifik (rpm)

21

Universitas Sumatera Utara

N = putaran turbin (rpm)
P = daya air ( W)
H = head (m)

Dari nilai spesifik ini dapat ditentukan jenis turbin yang digunakan yang
dapat dijelaskan sebagai berikut :
Ns = 8 - 50 jenis turbin Pelton
Ns = 50 - 149 jenis turbin Francis
Ns = 150 - 1000 jenis turbin Kaplan atau Propeler

Beberapa turbin impuls menggunakan beberapa nosel untuk meningkatkan
kecepatan spesifik dan keseimbangan gaya poros. 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 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.

2.7. Alternator
Bila sejumlah kawat email dililitkan ke paku, lalu kawat dialiri arus listrik,
gulungan itu menimbulkan medan magnet, dan menyebabkan paku tersebut
menjadi magnet. Kuatnya magnet ditentukan oleh berapa banyak gulungan kawat
dan berapa besar arus listriknya. Magnet jenis ini lazim disebut sebagai
elektromagnet.

2.8. Sabuk Datar Dan Puli
Belt (sabuk) digunakan untuk mentransmisikan daya dari poros yang satu
ke poros yang lainnya melalui roda (pulley) yang berputar dengan kecepatan sama
atau berbeda.

22

Universitas Sumatera Utara

Sabuk umumnya dipakai pada puli, sabuk ini lebih tenang dan efisien pada
kecepatan tinggi, dan juga mampu mentransmisikan sejumlah daya yang besar
pada jarak pusat puli yang panjang.

2.8.1 Jenis Gerakan Pada Sabuk
Energi dari suatu puli ditransmisikan kemanapun. Berikut jenis gerakan
pada sabuk:
1. Gerakan sabuk terbuka
Gerakan sabuk terbuka ditunjukkan di dalam gambar 2.9, jenis ini
digunakan diporos. Berputar dan paralel yang diatur ke arah yang sama.
Ketika memusat jarak antara kedua poros besar, kemudian sisi yang ketat
sabuk harus lebih rendah.

Gambar 2.9 Sabuk Terbuka
(Sumber: Machine Design, R. S. Khurmi dan J. K. Gupta)

2. Gerakan membelit atau melingkar pada sabuk
Gerakan membelit atau melingkar ditunjukkan di dalam gambar 2.10,
digunakan poros pengatur berputar dan paralel di dalam arah kebalikannya.
Tegangan yang kecil akan menunjukkan bahwa pada suatu titik silang
sabuk, hal ini akan menggosok melawan terhadap satu sama lain dan di sana
akan terjadi kerusakan disebabkan gesekan berlebih dalam rangka
menghindari ini, poros harus ditempatkan pada suatu jarak yang maksimum
20 b, dimana b menjadikan sabuk melebar dan kecepatan sabuk harus
kurang dari 15 m/detik.

23

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.10 Gerakan Membelit atau Melingkar pada Sabuk
(Sumber: Machine Design, R. S. Khurmi dan J. K. Gupta)

3. Gerakan dengan puli pengarah
Gerakan sabuk dengan puli pengarah ditunjukkan didalam gambar 2.11,
dengan menggunakan poros yang digunakan untuk pengaturan paralel dan
ketika sabuk terbuka tidak adapat digunakan dalam sudut yang kecil dan
penghubung pada puli kecil. Pengarah jenis ini disajikan untuk memperoleh
perbandingan percepatan tinggi dan ketika tegangan sabuk yang diperlukan
tidak bisa diperoleh oleh alat-alat lain. Ketika itu diinginkan untuk
mentransmisikan gerakan dari satu poros ke beberapa poros, semua diatur
didalam paralel, suatu sabuk menggerakan dengan banyak puli.

Gambar 2.11 Gerakan dengan Puli Pengarah
(Sumber: Machine Design, R. S. Khurmi dan J. K. Gupta)

24

Universitas Sumatera Utara

2.9. Daya Listrik
Daya listrik adalah banyaknya energi tiap satuan waktu dimana pekerjaan
sedang berlangsung atau kerja yang dilakukan persatuan waktu. Dari definisi ini,
maka daya listrik (Pl) dapat dirumuskan:
=

=

…………….…………………………………………………...……. (2.19)
. .

= . ………………………….………………………………………..… (2.20)

Dimana:

P = daya listrik (watt)
V = tegangan (volt)
I = arus listrik (Ampere)

25

Universitas Sumatera Utara