Analisa Teoritis Turbin Vorteks Dengan Rumah Turbin Berbentuk Lingkaran Dengan Variasi Diameter Lubang Buang, Ketinggian Air Dan Diameter Runner

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1

Vorteks
Dalam Dinamika Fluida, Vorteks adalah sebuah daerah di dalam fluida

dimana aliran sebagian besar bergerak memutar pada terhadap sumbu yang
imajiner. Pola gerakan disebut Aliran Vorteks. Vorteks terbentuk oleh fluida
termasuk cairan, gas, dan plasma. Vorteks adalah sebuah komponen utama dalam
aliran Turbulen.8 Dengan tidak adanya gaya luar, gesekan viskos dalam cairan
cenderung membuat aliran menjadi kumpulan yang disebut vortisitas irrotasional.
Dalam pusaran tersebut, kecepatan fluida yang terbesar berada di samping sumbu
imajiner, dan penurunan kecepatan berbanding terbalik terhadap jarak dari sumbu
imajner. Pusaran sangat tinggi di wilayah inti sekitar sumbu, dan hampir nol di
ujung pusaran; sementara tekanan turun tajam saat mendekati wilayah itu. Setelah
terbentuk, vorteks dapat berpindah, meregang, berputar, dan berinteraksi secara
kompleks. Sebuah Vorteks bergerak membawa serta momentum sudut dan linier,
energi, dan massa di dalamnya. Dalam pusaran stasioner, maka streamlines dan
pathlines tertutup. Dalam pusaran bergerak atau berkembang, streamline dan
pathlines biasanya bergerak spiral.

Gambar 2.1 Aliran Vorteks

Universitas Sumatera Utara

2.2

Klasifikasi Vorteks

Gbr 2.2 Klasifikasi Vorteks berdasarkan kekuatannya
sumber : Prof. B. S. Thandaveswara, Indian Institue of Technology Madras

Secara umum, fenomena vorteks terbagi atas dua bahagian yaitu :
1. Vorteks Paksa / Vorteks Berotasi
Adalah vorteks yang terbentuk karena adanya gaya luar yang
berpengaruh pada fluida.
2. Vorteks Bebas / Vorteks Tak Berotasi
Adalah vorteks yang terbentuk karena fenomena natural, tidak
terpengaruh oleh gaya dari luar sistem fluida, pada aliran
inkompresibel, umumnya terjadi karena adanya lubang keluar.

Berikut penjelasannya.

2.2.1

Vorteks Paksa / Vorteks Berotasi
Vorteks Paksa dikenal juga sebagai vorteks flywheel2. Jika fluida berputar

seperti benda kaku - yaitu, jika

naik secara proporsional terhadap r - bola kecil

yang dibawa oleh arus juga akan berputar pada pusatnya seolah-olah itu adalah

Universitas Sumatera Utara

bagian dari benda kaku. Dalam hal ini, vektor omega adalah sama di mana-mana.
Arahnya sejajar dengan sumbu putar, dan besarnya adalah dua kali kecepatan
sudut untuk seluruh fluida.

Gambar 2.3 Teh Cangkir yang di aduk adalah sebuah Aplikasi Vorteks paksa.

Sumber : Khurmi, R.S., 1987

Gambar 2.4 Rotational (rigid-body) vorteks
Sumber : M. Bruce, 2006; Wikipedia.org
Rumus kecepatan tangential pada vorteks berotasi :
…(2.1)

Universitas Sumatera Utara

Dimana:
Ut = Kecepatan Tangensial aliran vortex, biasa disebut juga dengan Kecepatan
pusar (Swirl Velocity)
ω = Kecepatan sudut aliran vortex paksa, pada vortex paksa kondisinya konstan
dimanapun sepanjang aliran.
r

= Jari-jari vortex, diukur dari titik pusat vortex.

2.2.2

Vorteks Bebas / Vorteks Tak Berotasi
Ketika massa fluida bergerak secara alami (karena pengaruh gaya-gaya

internal) dalam sebuah kurva aliran, gerakan vorteks bebas akan muncul, dalam
kasus ini tidak ada torsi ataupun gaya eksternal yang mempengaruhi fluida.
Vorteks bebas dikenal juga sebagai potential vorteks. Jika kecepatan tangensial
partikel Ut berbanding terbalik dengan jarak r, maka percobaan bola khayalan
tidak akan berputar terhadap dirinya sendiri; ini akan mempertahankan arah yang
sama sambil bergerak dalam lingkaran di sekitar garis vorteks dan aliran
dikatakan tak berotasi. Contoh dari gerakan vorteks bebas adalah aliran air yang
keluar dari lubang yang berada di dasar tangki, aliran di pipa yang melengkung,
aliran di pinggiran rumah keong pompa, tepat setelah keluar dari impeller pompa
sentrifugal, dan aliran angin siklon.2

Gambar 2.5 Vortex bebas
Sumber : M. Bruce, 2006; Wikipedia.org

Universitas Sumatera Utara

Dalam analisa aliran vorteks pada bak vorteks ini, digunakan pendekatan

analisa melalui pemodelan vorteks bebas ini, dengan asumsi aliran steady dan
disederhanakan. Untuk jenis ini, kita dapat menggunakan metode potential
vortex.8
Karena tidak adanya torsi eksternal yang terjadi pada sistem, maka:

..(2.2)
(Sumber: Gupta, S.C. 2006)

Yang mana jika diintegralkan;

Dimana m = Constant.

Universitas Sumatera Utara

Maka:
(sifat dan syarat aliran vorteks bebas)

....(2.3)

(Sumber: Gupta, S.C. 2006)

Dimana C selanjutnya disebut sebagai konstanta, faktor penunjuk kekuatan Aliran
vorteks yang terbentuk sepanjang radius r, maka kecepatan tangensial pada aliran
ini bervariasi secara invers terhadap fungsi r.
Persamaan Gaya-gaya dalam arah radial

Maka,
....(2.4)
(Sumber: Gupta, S.C. 2006)

Karena asumsi tidak ada gerakan dalam arah vertikal, maka variasi tekanan akan
dianggap tekanan hidrostatik, maka:

Universitas Sumatera Utara

…(2.5)
(Sumber: Gupta, S.C. 2006)
Lalu distribusi tekanan pada sebuah aliran vorteks diberikan:
....(2.6)
(Sumber: Gupta, S.C. 2006)
Jika kita substitusikan nilai persamaan (2.4) dan (2.5) ke dalam persamaan (2.6),

maka

…(2.7)
Jika persamaan (2.7) diintegralkan;

Dibagi dengan (ρg) pada setiap sisi, maka didapat:

Universitas Sumatera Utara

Setelah disusun kembali menjadi:

........(2.8)

(Sumber: Gupta, S.C. 2006)
Yang merupakan persamaan bernoulli, yang berlaku dimanapun di dalam
aliran tak berotasi.
Bunyi hukum Bernoulli:
Teorema Bernoulli menetapkan jumlah keseluruhan dari energy potensial
(energy datum), energy tekanan dan energy kinetic dari sebuah aliran ideal fluida
inkompresibel adalah tetap pada setiap titik dalam kondisi aliran tunak dan tak

berotasi. Batasan hukum Bernoulli:
1. Fluida kerja adalah fluida ideal dan fluida nonviskos
2. Fluida kerja adalah fluida inkompresibel atau fluida tak mampu
mampat
3. Aliran fluida dalam kondisi steady atau tak berubah terhadap waktu
4. Aliran fluida adalah aliran tak berotasi.
Dimana;

(Sumber : M. Bruce, 2006)
P = Tekanan fluida alir
Z = Elevasi (datum), atau ketinggian air tertentu pada aliran.
U = Kecepatan aliran fluida kerja
H = Zmax = Ketinggian aliran air maksimum (Head)

Universitas Sumatera Utara

g = Percepatan gravitasi
w = Berat jenis air (ρxg)
Dalam kasus aliran vorteks bebas, garis-garis arus aliran terpusat dan kecepatan
bervariasi berdasarkan radius dan sesuai dengan persamaan yang menunjukkan

energi total per satuan berat dari setiap fluida adalah tetap dari masing2 garis
arusnya, atau dengan kata lain nilai Head energy fluida, (dH/dr)=0

a. Sirkulasi
Untuk dapat menghitung distribusi dari komponen tangensial dari suatu
fungsi atau aliran berkecepatan yang dibatasi oleh sebuah alur atau fungsi kurva
tertutup yang kita misalkan dengan S dalam sebuah medan aliran, dalam sebuah
analisa dua dimensi, medan aliran dapat direpresentasikan sebagai garis arus.

Gambar 2.6 Notasi untuk menentukan sirkulasi pada kurva tertutup S
(Sumber : M. Bruce, 2006)
Jadi, sirkulasi dapat didefinisikan sebagai:

(Sumber : M. Bruce, 2006)
Jika kita mengambil asumsi, kurva S pembatas berbentuk lingkaran, dan garis
arus juga berbentuk lingkaran, maka kita dapat mensubstitusikan fungsi sirkulasi
sebatas keliling lingkaran, dengan batasan 2π s/d 0, dan ds = rdθ, gerakan aliran
membentuk pusaran, dan aliran bergerak dari satu medan aliran ke medan aliran
lainnya, yaitu:

Universitas Sumatera Utara

(Sumber : M. Bruce, 2006)
Untuk aliran vorteks bebas,

, maka, jika nilai Ut

disubstitusikan,

maka:

Kemudian diintegralkan;

Dan kesimpulannya :

(Sumber : Gupta, S.C.,2006)
Dimana:
Γ = Sirkulasi sepeanjang aliran
C = Konstanta aliran vortex bebas, yang menyatakan kekuatan vortex.
Untuk aliran tak berotasi, nilai sirkulasi pada setiap garis arus adalah sama, maka

untuk vorteks bebas:

Diintegralkan:

Universitas Sumatera Utara

Maka:

(Sumber : Gupta, S.C.,2006)

b. Menghitung Sirkulasi
Sirkulasi dihitung untuk dapat menghitung kekuatan aliran pada suatu
aliran vortex.
Sirkulasi =
Jika kita susbstitusikan nilai Konstanta C dengan Ut yaitu sifat vorteks
bebas

maka,

Dimana nilainya tetap pada seluruh garis arus pada aliran vorteks bebas.
Karena kondisi steady, maka berlaku hukum Bernoulli:

Jika kita misalkan, aliran pada permukaan yang bersentuhan dengan udara,
p1=p2=patm=0(pressure gauge),
Maka,

Jika pada kondisi Z1 adalah titik tertinggi permukaan air (nilai Head) dan Z2
berada pada titik terendah permukaan air (segaris dengan garis dasar bak, nilai
Z2=0) maka dapat disimpulkan Z1 - Z2 = Head

Universitas Sumatera Utara

Karena faktor gesekan, maka kecepatan tepat pada tepi bak dapat dianggap = 0,
maka persamaan di atas dapat disederhanakan menjadi:

Karena nilai sirkulasi di setiap garis arus di seluas daerah aliran adalah sama,
maka kita dapat mencari nilai sirkulasi dari substitusi hasil perbandingan
persamaan di atas, dengan mensubstitusikan Ut dengan Ut2

(Sumber : M. Bruce, 2006)
Dimana:
Γ = Sirkulasi sepeanjang aliran
r = Radius kecepatan pada suatu titik diukur dari titik pusat vortex
H = Head vortex, ketinggian maksimum vortex di dalam bak
g = Percepatan gravitasi

c. Menghitung Kekuatan Vortex
Setelah mendapatkan nilai sirkulasi, maka kita dapat menghitung nilai dari
Konstanta C atau yang disebut juga dengan kekuatan aliran vorteksnya.

(Sumber : M. Bruce, 2006)

Universitas Sumatera Utara

Dimana:
Γ = Sirkulasi sepeanjang aliran
C = Konstanta aliran vortex bebas, yang menyatakan kekuatan vortex.
Konstanta kekuatan vortex ini dihitung, agar kita dapat mengetahui kecepatan
pada permukaan bebas serta distribusinya.

d. Menghitung Distribusi Kecepatan
Setelah mendapatkan nilai konstanta kekuatan vortex, maka dapat
dikembalikan ke persamaan awal sifat vortex bebas, yaitu:

(Sumber : M. Bruce, 2006)
Dengan memasukkan interval nilai radius dari mulai tepi lubang buang sampai
tepi dinding bak vortex.

e. Menghitung Tekanan dan Distribusi Tekanan pada Kondisi Tertentu
Setelah mendapatkan nilai konstanta C dan distribusi kecepatan, kita juga dapat
menghitung tekanan (gauge) dan distribusi tekanan sepanjang r pada Δz=0,
dengan meninjau kembali persamaan energi Bernoulli:

(Sumber : Gupta, S.C., 2006)
ket:
P = Tekanan fluida alir pada sembarang titik (pressure gauge)
Z = Elevasi, atau ketinggian air tertentu pada aliran vorteks

Universitas Sumatera Utara

Ut = Kecepatan tangensial, kecepatan pusar, kecepatan swirl vorteks
H = Zmax = Ketinggian aliran air maksimum pada bak vorteks
Dimana pada titik sembarang sulit mengetahui kecepatan tangensial langsung
secara teoritistanpa menghitung tekanan terlebih dahulu, maka nilai Ut dapat
disubstitusikan dengan nilai C, sehingga menjadi :

(Sumber : Gupta, S.C., 2006)
Sehingga dapat ditentukan tekanan pada sembarang titik pada aliran tertentu
dengan basis perhitungan konstanta C, karena nilai C adalah konstan seluas
bidang alir.

(Sumber : Gupta, S.C., 2006)

ket:
P = Tekanan fluida alir pada sembarang titik (pressure gauge)
Z = Elevasi, atau ketinggian air tertentu pada aliran vorteks
C = Konstanta kekuatan vortex
H = Zmax = Ketinggian aliran air maksimum pada bak vorteks

Setelah mendapat tekanan pada koordinat (r,Z) tertentu, maka dapat juga dicari
kecepatan pada titik tersebut dengan persamaan:

Universitas Sumatera Utara

(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 "whirling"(pusaran) 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.

Turbin vortex

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

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 s/d 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 litres/sec hingga 10 m3/sec dan head
antara 1 s/d 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 20%nya 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
Aliran sungai dengan head yang kecil belum termanfaatkan dengan

optimal. Hal ini menjadi referensi untuk memanfaatkan aliran sungai dengan
mengubahnya menjadi aliran vorteks.Seorang Peneliti dari Jerman Viktor
Schauberger mengembangkan

teknologi aliran vorteks (pusaran) untuk

diterapkan pada pemodelan turbin air dengan memanfaatkan aliran irigasi yang
kemudian diubah menjadi aliran vorteks (pusaran), yang kemudian dimanfaatkan
untuk menggerakkan sudu turbin. Aliran vorteks yang juga dikenal sebagai aliran
pulsating atau pusaran dapat terjadi pada suatu fluida yang mengalir dalam suatu
saluran yang mengalami perubahan mendadak.
Fenomena aliran vorteks sering kali dijumpai pada pemodelan sayap
pesawat, aliran vorteks cenderung dianggap sebagai suatu kerugian dalam suatu
aliran fluida. Kemudian teknologi ini dikembangkan oleh Franz Zotloeterer
berkebangsaan Austria.Ia memulai penelitian ini pada tahun 2004 dan memulai
pemasangan turbin pertamanya di Obergrafendorf, Austria pada tahun 2005,
kemudian sampai dengan tahun 2013 turbin ini sudah dibangun di beberapa
negara seperti Jerman, Republik Ceko, Hungaria, Cili, Thailand, Irlandia,
Indonesia, Jepang, Francis, Italy, dan Swiss.

2.4.1 Perhitungan Perancangan Teoritis Turbin Vorteks
Ada beberapa perhitungan yang penting dalam perancangan turbin vortex,
yaitu:
1. Perhitungan Daya Maksimum Teoritis Turbin Vortex
Diambil dari potensial energi air per satuan waktu, dimana:

(Sumber : M. Bruce, 2006)

Universitas Sumatera Utara

Ket:
P = Daya maksimum teoritis fluida kerja
ρ = Massa jenis air
g = Percepatan gravitasi
Q = Debit fluida mengalir
Hv = Ketinggian aliran vortex maksimum di bak/basin.
2. Perhitungan Daya Poros Teoritis Turbin Vortex
Diambil dari Energi Kinetik aliran vortex per satuan waktu, yaitu:

(Sumber : M. Bruce, 2006)
Ket:
P = Daya maksimum teoritis fluida kerja
= Laju aliran massa fluida kerja
U =Kecepatan aliran fluida kerja, dalam hal ini adalah kecepatan
tangensial fluida memasuki runner
3. Tinjauan Momentum Sudut
Diambil untuk menghitung torsi dan daya efektif yang tersalur ke poros
turbin melalui analisa segitiga kecepatan.
Tshaft =
(Sumber : M. Bruce, 2006)
=
(Sumber : M. Bruce, 2006)

Universitas Sumatera Utara

Ket:
Tshaft = Momen torsi yang bekerja pada poros
Wshaft/time = kerja yang terjadi pada poros per satuan waktu= daya teoritis poros
= laju aliran massa fluida kerja
r = jari-jari runner (luar dan dalam)
V = Kecepatan fluida kerja masuk sudu (kec. tangensial masuk sudu)
U = Kecepatan Sudu/impeler (dapat direncanakan)
1&2 = keterangan kondisi masuk dan keluar kondisi batas

2.4.2

Prinsip Kerja Turbin Vorteks
Sistem PLTA pusaran air adalah sebuah teknologi baru yang

memanfaatkan energi yang terkandung dalam pusaran air yang besar yang dibuat
dengan menciptakan melalui perbedaan head rendah di sungai.
Cara kerjanya:
1. Air Sungai dari tepi sungai disalurkan dan diarahkan ke tangki sirkulasi. Tangki
sirkulasi ini memiliki suatu lubang lingkaran pada dasarnya.
2. Tekanan rendah pada lubang dasar tangki dan kecepatan air pada titik masuk
tangki sirkulasi mempengaruhi kekuatan aliran vorteks.
3. Energi potensial seluruhnya diubah menjadi energy kinetic rotasi di inti vortex
yang selanjutnya diekstraksi melalui turbin sumbu vertikal.
4. Air kemudian kembali kesungai melalui saluran keluar.

Universitas Sumatera Utara

Berikut adalah penemuan fundamental dari penilitian dari Institute of Technology,
Sligo in Civil Engineering:
1. Bentuk permukan Pusaran Air dapat digambar secara matematik dan diprediksi
secara akurat. Gambar 2.17
2. Efisiensi daya Pusaran air yang maksimal dapat terjadi dalam jangkauan rasio
antara diamater lubang dan diameter tanki adalah sekitar 14% - 18% masingmasing untuk tempat head rendah dan tinggi.
3. Tinggi pusaran bervariasi secara linier sesuai dengan debit.
4. Energi keluar maksimum secera teoritis idealnya = ρgQHv
( Hv = Height of Vorteks)
5. Efesiensi Hidrolik maksimum meningkat saat kecepatan impeler setengah dari
kecepatan fluida. (lihat Grafik 2.18)

Gambar 2.17 Bentuk permukan Pusaran Air secara matematik

Universitas Sumatera Utara

Grafik 2.18 Efesiensi Hidrolik Turbin vorteks
2.4.3 Aplikasi Turbin Vorteks
Teknologi Turbin vorteks ini sudah dikembangkan oleh Franz Zotloeterer
berkebangsaan Austriasejak tahun 2004 dan memulai pemasangan turbin
pertamanya di Obergrafendorf, Austria pada tahun 2005, kemudian sampai
dengan tahun 2013 turbin ini sudah dibangun di beberapa negara seperti Jerman,
Republik Ceko, Hungaria, Cili, Thailand,Irlandia, Indonesia, Jepang, Francis,
Italy, dan Swiss.
1.Tahun 2005 Pemasangan pertama di dunia Gravitation Water Vorteks Power
Plant di Obergrafendorf diAustria.
Tinggi head : 1,5m
Debit : 0,9m³/s
Energi Listrik : 6,1kW (max. 7,5kW)
Kapasitas kerja pertahunnya : 44.000kWh

Universitas Sumatera Utara

2. Tahun 2011 pemasangan Gravitation Water Vorteks Power Plant di Kärnten,
Austria.
Tinggi head: 0,9m
Debit : 2x 0,7m³/s
Turbin Energi Listrik : 2x 3,5kW
Kapasitas kerja pertahunnya: 25.000kWh

3. Pada Pebruari 2012 pemasangan Double- Gravitation Water Vorteks Power
Plant di Winterberg, Jerman.
Tinggi head: 2x 1,4m
Debit : 0,5m³/s
Energi Listrik : 2x 4,0kW
Kapasitas kerja pertahunnya : 30.000kWh

4. Pada Agustus 2012 pemasangan Gravitation Water Vorteks Power Plant di
Nantes, Prancis.
Tinggi head : 1m
Debit : 0,3m³/s
Energi Listrik : 1,7kW
Kapasitas kerja pertahunnya : 8.500kWh

Universitas Sumatera Utara

5. Tahun 2013 pemasangan Gravitation Water Vorteks Power Plant di
Kotting/Obergrafendorf,
Tinggi head: 1,3m
Debit : 2x 2,2m³/s
Energi Listrik : 2x 17kW
Kapasitas kerja pertahunnya : 160.000kWh

Universitas Sumatera Utara