Uji Eksperimental Pada Turbin kaplan Dan Analisa Perbandingan Sudu Pengarah 150, 200, Dan 250 Terhadap 8 Sudu Gerak dan Jarak Vertikal 25 CmUJI

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA

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 pembangkit listrik tenaga air. Banyak negara yang hampir seluruh
kebutuhan energinya berasal dari tenaga air. Pembangkit tenaga listrik yang
menggunakan tenaga air sebagai sumber energinya, memiliki kelebihan dibanding
sumber energi lainnya. 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
biasanya dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang
memanfaatkan 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
permukaan air pada reservoir dengan air keluar dari turbin air.
2.1

Sejarah Turbin
Pada pertengahan tahun 1700, Ján Andrej Segner mengembangkan turbin

air reaksi. Turbin ini mempunyai sumbu horizontal dan merupakan awal mula dari
turbin air modern. Turbin ini merupakan mesin yang sederhana yang masih
diproduksi sampai 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. Bentuk sudunya
mirip dengan turbin francis. Pada tahun 1849, James B. Francis meningkatkan
efisiensi turbin reaksi aliran kedalam hingga lebih dari 90%. Dia memberikan tes
yang memuaskan dan mengembangkan metode engineering untuk desain turbin

5
Universitas Sumatera Utara

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 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

6
Universitas Sumatera Utara

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 kinetik. Selanjutnya
energi kineti ini akan diubah menjadi energi elektrik melalui generator. Hal ini
menyebabkan setiap pembahasan tentang turbin hidrolik akan mengikutsertakan
generator sebagai pembangkit listrik.
2.2

Turbin Air
Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Energi

mekanis diubah dengan generator listrik menjadi tenaga listrik. Berdasarkan prinsip kerja
turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis, turbin air dibedakan
menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi. 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 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

sehingga persamaan (2.1) dapat

dinyatakan sebagai:
=

. .ℎ

................................................................................................ (2.2)

7

Universitas Sumatera Utara

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, 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)

Atau dengan menggunakan persamaan kontinuitas
�=

= ��, maka:

�� ............................................................................................ (2.6)

Dimana:
A = luas penampang ( m2 )

2.3

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
2.3.1 Turbin Impuls
Turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya dengan merubah
seluruh energi air (yang teridiri dari energi potensial-tekanan-kecepatan) yang
tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan

8
Universitas Sumatera Utara

energi puntir dalam bentuk putaran poros. Atau dengan kata lain, energi
potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nosel. Contoh turbin impuls
adalah turbin Pelton. Turbin Pelton dipakai untuk tinggi air jatuh yang besar.
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 =

mv

v = √ . g. h …………………………...(2.7)

Gambar 2.1. Skema Turbin Implus
Sumber:(http://rahmanta13.wordpress.com/2011/05/20/turbinair)

2.3.1.1 Turbin Pelton
Turbin Pelton ditemukan pada tahun 1870an oleh Lester Allan
Pelton. Turbin Pelton termasuk dalam kelompok jenis turbin impuls.

9
Universitas Sumatera Utara

Karakteristik umumnya adalah pemasukan sebagian aliran air ke dalam
runner pada tekanan atmosfir. Pada turbin Pelton, puntiran terjadi akibat
pembelokan 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. (Sihombing, Edis. 2009)

Gambar 2.2 Turbin Pelton
Sumber : (Turbin, Pompa dan Kompresor, Fritz Diesel)

2.3.1.2 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.

10
Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.3 Turbin Turgo
Sumber:( http://sistem-tenaga-listrik.blogspot.co.id/2011/05/plta-pembangkit-listrik-tenaga-air-part.html
diakses pada kamis, 6 Oktober 2016 pukul 01.00 WIB)

2.3.1.3 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 2.4. Turbin Crossflow
Sumber : (Turbin, Pompa dan Kompresor, Fritz Diesel)

11
Universitas Sumatera Utara

2.3.2 Turbin Reaksi
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:
2.3.2.1 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. . 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.

12
Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.5Turbin Francis
Sumber: (https semayangboy.com)

2.3.2.2 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. 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.

13
Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.6 Turbin kaplan
Sumber: (http//turbin-kaplan.blogspot.com)

2.3.2.2.1 Prinsip Kerja Turbin Kaplan
Tidak berbeda dengan turbin Francis, turbin Kaplan cara
kerjanya menggunakan prinsip reaksi. Turbin ini mempunyai roda jalan
yang

mirip

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

14
Universitas Sumatera Utara

2.3.2.2.2 Komponen Utama Turbin Kaplan
Kompone utama dari turbin kaplan adalah :
2.1 Rumah turbin
Air dari saluran pipa didistribusikan di sekeliling cincin rumah
turbin. Rumah turbin didesain sedemikian sehingga luas penampang
melintangnya berkurang secara seragam. Luas penampang melintangnya
maksimum pada sisi masuk dan minimum pada ujung.
Rumah turbin akan mendistribusikan air secara merata
kepada sudu penggarah / guide vane. Untuk mencapai aliran seragam
pada runner blade, maka aliran air harus seragam masuk ke dalam sudu
penggarah / guide vane.
2.2 Mekanisme pengarah (guide vane)
Sudu pengarah (guide vane) terpasang tetap diantara dua cincin
dalam bentuk roda. Roda ini dipasang tetap pada rumah turbin. Sudu
pengarah didesain untuk:
 Supaya air masuk ke runner tanpa kejut.
 Supaya air mengalir tanpa membentuk arus Eddy.
 Supaya sejumlah air bisa memasuki turbin.
Sudu pengarah bisa dibuka dan ditutup dengan memutar poros
pengatur, sehingga jumlah air bisa diatur sesuai keperluan. Poros
pengatur dioperasikan dengan menggunakan governor, yang fungsinya
mengatur turbin (yaitu menjaga kecepatan turbin konstan pada beban
yang bervariasi). Turbin Kaplan adalah salah satu jenis dari turbin reaksi
aliran ke dalam (inward), yakni turbin reaksi dimana air memasuki roda
pada bagian lingkaran luar dan mengalir menuju kedalam melalui sudu
(yaitu menuju pusat roda). Turbin reaksi ini terdiri dari sudu pengarah
tetap, yang mengarahkan air ke roda bergerak dengan sudut yang benar.
Air ketika mengalir pada sudu/vane, menghasilkan gaya ke roda. Gaya
ini menyebabkan roda berputar.

15
Universitas Sumatera Utara

2.3 Runner Blade
Runner blade terdiri dari sudu yang terpasang tetap pada poros atau
cincin. Sudu didesain supaya air masuk dan meninggalkan turbin tanpa
kejut. Runner blade terpasang pada poros. Jika porosnya vertikal,
disebut turbin vertikal, dan jika poros horisontal maka disebut turbin
horisontal. Untuk head rendah, runner blade bisa dibuat dari besi tuang,
tetapi untuk head tinggi, runner blade dibuat dari baja atau paduan. Jika
air secara kimia tidak murni, runner dibuat dari paduan spesial.
2.4 Draft Tube
Air setelah melewati runner, mengalir turun melalui pipa yang
disebut draft tube. Draft tube mempunyai fungsi antara lain:


Meningkatkan head air sebesar tinggi runner dari permukaan air.



Meningkatkan efisiensi turbin

2.3.2.2.3 Dimensi Dasar Turbin Kaplan
Dimensi dasar turbin Kaplan bergantung pada diameter luar runner
(D), tinggi sudut pengarah (B), jarak vertikal runner terhadap sisi
dalam sudut pengarah (λ), dan diameter hub (d) dapat dilihat pada gambar
2.7

Gambar 2.7 Elemen dasar Turbin Kaplan
Sumber : (http://jerryjerrseyy.blogspot.com/2013/12/jenis-turbin-hidrolik.html)

16
Universitas Sumatera Utara

Persamaan dasar untuk mencari diameter luar runner (D) :
= (66,76+ 0,136 s)

√

................................................................... (2.8)

Dengan
ns = putaran spesifik [rpm]
n = putaran turbin [rpm]
Persamaan dasar untuk mencari tinggi sudut pengarah (B) :
,

B = (0,45 -

........................................................................ (2.9)

Persamaan untuk mencari diameter dalam (Db):
=

�

−

� � ……………………………………….(2.10)

Dan persamaan untuk mencari diameter hub (d):

= 0,70............................................................................................. (2.11)
2.3.2.2.4 Dimensi Dasar Runner Blade
Segitiga kecepatan masuk pada runner blade dapat dilihat
pada gambar 2.8 dibawah ini.

Gambar 2.8 Segitiga kecepatan

17
Universitas Sumatera Utara

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

�i

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

�e

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

Persamaan untuk mencari kecepatan aliran air (Vf) adalah:
� .................................................................................... (2.12)

Vf = √

Persamaan untuk mencari Kecepatan tepi (rim) diameter boss dan
diameter dalam
(Ub dan U) adalah
�.

Ub =
U=

.�

�. .�

................................................................................... (2.13)

.................................................................................... (2.14)

Persamaan untuk mencari Kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss
dan diameter dalam adalah :
Uwb =

� . .

............................................................................... (2.15)

Uw =

� . .ℎ

.................................................................................. (2.16)

.

.

Persamaan untuk mencari Sudut sudu (blade) pada area fluida
masuk (inlet)
adalah :
tan ( βe) =

................................................................................ (2.17)

18
Universitas Sumatera Utara

Persamaan untuk mencari Sudut sudu (blade) pada area fluida
keluar (outlet) adalah :
tan ( βe) =
2.4

............................................................................... (2.18)

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

vs flow (m3/s) dibawah ini.

Gambar 2.9 Grafik Perbandingan Karakteristik Turbin
Sumber : (https://rahmanta13.wordpress.com/2011/05/20/turbin-air/)

Dapat dilihat pada gambar 2.9 turbin Kaplan adalah turbin yang beroperasi
pada head yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi. Hal ini karena sudusudu turbin dapat diatur secara manual atau otomatis untuk merespon perubahan
kapasitas.

19
Universitas Sumatera Utara

2.5

Seleksi Awal Jenis Turbin
Seleksi awal dari jenis turbin yang cocok untuk suatu keperluan paling

tepat dilakukan dengan kecepatan spesifik (Ns). Dalam tabel 2.1 disajikan nilai
kecepatan spesifik (Ns) untuk berbagai jenis turbin. Tabel 2.1 dapat digunakan
sebagai panduan awal dalam pemilihan jenis turbin yang tepat untuk nilai Ns
tertentu. Nilai Ns yang tercantum dalam tabel 2.1 bukan nilai eksak.
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:
Ns =

+ ,

+ 84 ...................................................................................... (2.19)

Sedangkan untuk turbin propeller atau Kaplan, Moody memperoleh
korelasi
sebagai berikut:
Ns =

+ .

+155 ................................................................................... (2.20)

Dengan H adalah tinggi terjun netto (m) dan Ns adalah kecepatan spesifik
metrik.
Tabel 2.1 Jenis-jenis Turbin Air dan Kisaran Kecepatan Spesifiknya (Ns)
Ns (metrik)

Jenis Turbin
a. Satu jet (Turbin Pelton)

4-30

b. Banyak jet (turbin Doble)

30-70

1. Turbin Impuls

a. Francis
2. Turbin Reaksi
Ns rendah

50-125

20
Universitas Sumatera Utara

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 spesifik sebagaimana persamaan 2.17 di atas, atau menurut referensi yang
lain :
Ns =

�√�

...................................................................................................... (2.21)

�

dimana :
Ns = putaran spesifik [rpm]
N = putaran turbin [rpm]
P = daya air [kW]
H = tinggi terjun efektif [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 Perancis
Ns = 150 - 1000 jenis turbin Kaplan atau Propeler
Pemilihan putaran spesifik ini sangat berhubungan dengan dimensi
peralatannya, yang berarti juga mempengaruhi konstruksi dan harga. Pemilihan
turbin kebanyakan didasarkan juga pada head air yang didapatkan dan kurang
lebih pada rata-rataalirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan untuk tempat
dengan head tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head

21
Universitas Sumatera Utara

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.
2.6

Alternator
Alternator adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari

sumber energi mekanik berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik 5 runner
blade dan analisa perbandingan sudut guide vane (150, 200 dan 250) , yakni:
2.7

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.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 pulley yang panjang.
2.7.1 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 2.11, 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.

22
Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.11 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 2.12,
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 15m/sec.

Gambar 2.12 Gerakan Membelit atau Melingkar pada Ssbuk
(Sumber: Machine Design, R. S. Khurmi dan J. K. Gupta)

23
Universitas Sumatera Utara

3. Gerakan dengan Puli Pengarah
Gerakan sabuk dengan puli pengarah ditunjukkan didalam gambar
2.13, 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 2.13 Gerakan dengan Puli Pengarah
(Sumber: Machine Design, R. S. Khurmi dan
J. K. Gupta)

2.7.2 Perbandingan Kecepatan Puli
Karena kecepatan linier pada kedua puli sama, maka:
1�1=

2�2 ...................................................................................................................... (2.22)

Dan perbandingan putaran kedua puli menjadi:
�
�

=

............................................................................................ (2.23)

Dimana,
N1 = Putaran penggerak [rpm]
N2 = Putaran yang digerakkan [rpm]
D1 =Diameter puli penggerak [m]
D2 = Diameter puli yang digerakkan [m]

24
Universitas Sumatera Utara

2.7.3 Efisiensi Puli
Untuk mencari efisiensi puli menggunakan rumus sebagai berikut:
�

�p =

�

........................................................................................ (2.24)

Dimana :
ηp = Efisiensi puli

2.8

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:
Daya =

�

.............................................................................................. (2.25)

P=
P=

. .

P = V.I ......................................................................................................... (2.26)
Dimana:
P = Daya listrik (Watt)
V = Tegangan (Volt)
I = Arus (Ampere)

25
Universitas Sumatera Utara