Pengaruh Bukaan Sudu Pengarah Terhadap Kerugian Head Dan Performansi Turbin FrancisVertikal PLTA TanggaUnit 4 PT. Inalum Power Plant (Persero)

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Mesin Fluida
Mesin fluida adalah mesin yang berfungsi untuk mengubah energi
mekanis poros menjadi energi fluida, atau sebaliknya mengubah energi fluida
menjadi energi mekanis poros.
Sesuai dengan pengertian diatas maka berdasarkan fungsinya mesin fluida
digolongkan atas dua golongan yaitu:
1. Mesin kerja, yaitu mesin fluida yang berfungsi untuk mengubah energi mekanis
poros menjadi energi fluida. Mesin yang termasuk dalam golongan ini adalah:
pompa, fan kompresor dan lain-lain.
2. Mesin tenaga, yaitu mesin fluida yang berfungsi untuk mengubah energi fluida
menjadi energi mekanis poros. Mesin yang termasuk golongan ini adalah:
turbin air, kincir air, kincir angin, dan lain-lain.

2.2. Teori Dasar Mekanika Fluida
Mekanika fluida adalah ilmu mekanika dari zat cair dan gas yang
didasarkan pada prinsip yang sama dengan prinsip yang dipakai pada zat padat
aliran zat cair di dalam pipa dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis yaitu aliran
laminar dan aliran turbulen.

Aliran laminar adalah aliran yang bergerak dalam lapisan-lapisan atau
lamina-lamina, tukar menukar momentum secara molekuler saja. Aliran turbulen
mempunyai gerakan partikel-partikel fluida yang sangat tidak menentu, dengan
saling tukar menukar momentum dalam arah melintang. Untuk menyatakan gerak
fluida adalah dengan mengikuti gerak partikel didalam fluida. Kecepatan dari tiap

Universitas Sumatera Utara

partikel fluida pada satu titik tertentu adalah tetap, disebutkan bahwa aliran
bersifat tunak, pada suatu titik tertentu tiap partikel fluida akan mempunyai
kecepatan sama, baik besar maupun arahnya. Pada titik yang lain suatu partikel
mungkin mempunyai kecepatan yang berbeda aliran tunak seperti ini terjadi pada
aliran yang pelan, kecepatan yang berubah dari titik ke titik disebut aliran
turbulen.
Aliran laminar tidak dapat di anggap tanpa pusaran sama sekali, tetapi
aliran laminar mempunyai gerak translasi dan rotasi pada bagian pusatnya dan
kecepatan sudutnya merupakan harga yang rill. Gerak fluida didalam suatu pipa
aliran haruslah sejajar dengan dinding tabung, meskipun besar kecepatan fluida
dapat berbeda dari satu titik ke titik lain didalam pipa. Jika jarak antar garis- garis
arus adalah kecil, maka kecepatan fluida haruslah besar. Tempat dengan garisgaris yang renggang tekanannya akan lebih besar dari pada tempat dengan garis

arus yang rapat. Sifat pokok aliran serta posisi relarifnya ditunjukkan oleh
bilangan reynold. Persamaan yang lebih umum, yang memperhitungkan viskositas
telah dikembangkan dengan menyertakan tegangan geser.
Mekanika fluida meletakkan dasar-dasar teori hidrolika yang difokuskan
pada rekayasa sifat-sifat fluida. Dalam tenaga fluida, hidrolika digunakan untuk
pembangkit, kontrol, dan perpindahan tenaga menggunakan fluida yang
dimampatkan.

Topik

bahasan

hidrolika

membentang

dalam

banyak

aspek sains dan disiplin keteknikan, mencakup konsep-konsep seperti aliran
tertutup (pipa), perancangan bendungan, pompa, turbin, tenaga air, hitungan
dinamika fluida, pengukuran aliran, serta perilaku aliran saluran terbuka
seperti sungai dan selokan.
Definisi yang lebih tepat untuk membedakan zat padat dengan fluida
adalah pada karakteristik deformasinya. Zat padat pada umumnya memiliki
karakteristik deformasi yang terbatas ketika menerima atau mengalami suatu gaya
geser (shear). sedangkan fluida memperlihatkan fenomena sebagai zat yang terus
menerus berubah bentuk apabila mengalami tekanan geser, dengan kata lain fluida
adalah suatu zat yang tidak dapat menahan tekanan geser tanpa berubah bentuk.

Universitas Sumatera Utara

Fluida juga dipelajari secara analitik, numerik (komputer), maupun eksperimen
tentang aliran, struktur turbulensi dan sebagainya.
Dengan menggunakan rumus-rumus mekanika fluida yang menjadi dasar
mesin fluida maka dapat diketahui kecepatan aliran, head pada turbin, dan
kerugian-kerugian head (head losses). Rumus-rumus mekanika fluida tersebut
yaitu seperti berikut ini.

2.2.1 Persamaan Energi
Energi yang dihasilkan dari pemanfaatan sumber air bergantung pada
besarnya head dan debit air, serta kecepatan dari aliran air. Adapun energi
yang dihasilkan dari air dapat berupa
a. Energi Potensial
Head merupakan beda ketinggian antara muka air pada reservoir
dengan muka air keluar dari turbin air.Total energi yang tersedia dari suatu
reservoir air merupakan energi potensial air, dimana dapat dapat dituliskan
dalam persamaan berikut:

Keterangan:

=

= massa air

=percepatan gravitasi

ℎ =head

×

× ℎ...............…..……………..…(2.1)

/

Daya merupakan energi tiap satuan waktu

, dengan menggunakan

persamaan (2.1) dapat dinyatakan sebagai:

=

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

Dengan mensubtitusikan P terhadap
maka:

=

dan mensubtitusikan �terhadap

� ℎ…………………………………..(2.3)
Universitas Sumatera Utara

Keterangan:

= daya

�

� = kapasitas aliran

/

=kerapatan (densitas) air

/

b. Energi Kinematik
Selain memanfaatkan air jatuh, tenaga air dapat diperoleh dari aliran
air datar, dengan memanfaatkan kecepatan dari air tersebut, dan energi yang
tersedia merupakan energi kinetik, dimana :

=

…………………………………..(2.4)

Dimana adalah kecepatan aliran air

/

Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut:

=

�

…………………………...……(2.5)

atau dengan menggunakan persamaan kontinuitas � =

maka akan

didapat persamaan:

Dimana

=

……………………………...…(2.6)

adalah luas penampang aliran air

2.2.2 Persamaan Kontinuitas
Pada dasarnya persamaan ini menekankan jika suatu fluida mengalir
dengan aliran tunak (kecepatan vdi suatu titik konstan terhadap waktu), maka
massa fluida yang masuk ke salah satu ujung pipa haruslah sama
denganmassa fluida yang keluar pada ujung pipa lainnya selama selang waktu

yang sama.

Universitas Sumatera Utara

Persamaan kontinuitas adalah suatuungkapan matematis mengenai hal
bahwa jumlah netto massa yang mengalir kedalam sebuah permukaan terbatas
sama dengan pertambahan massa di dalam permukaan itu. Gambar 2.1 di
bawah ini akan menunjukkan aliran fluida aliran fluida dari kiri ke kanan.

Gambar 2.1. Aliran Fluida dari Diameter Besar ke Kecil
Pada fluida dinamis, terdapat pembahasan mengenai aliran fluida
tunak, tak termampatkan, dan termampatkan. Adapun pembagiannya adalah
sebagai berikut.
a. Persaamaan Kontinuitas untuk Fluida Tunak
Pada aliran tunak, kecepatan aliran fluida di suatu titik sama dengan
kecepatan aliran partikel fluida lain yang melewati titik. Oleh karena massa
fluida yang masuk kedalam salah satu ujung pipa harus sama dengan massa
fluida yang keluar dari ujung pipa yang lain. . Hal tersebut dapat kita lihat
dari gambar 2.1 dimana massa fluida yang masuk ke dalam pipa yang
berdiameter besar akan memiliki massa yang sama apabila fluida tersebut

keluar dari pipa yang berdiameter kecil.
Pada gambar 2.1 menunjukkan selama selang waktu yang tertentu,
sejumlah fluida yang mengalir melalui bagian pipa yang berdiameter besar
sejauh

=

. Volume fluida yang mengalir dapat dihitung

dengan persamaan berikut:

=

=

…………………...……(2.7)

Universitas Sumatera Utara

Selanjutnya sejumlah fluida yang mengalir melalui pipa yang

=

sejauh

diameternya kecil
mengalir yaitu:

=
b. Persamaan

Kontinuitas

=
untuk

maka vlume fluida yang

…………………..…….(2.8)

Fluida

Tak-termampatkan

(incompressible)
Untuk fluida yang tak-termampatkan (incompressible), massa jenis
fluida atau kerapatannya selalu sama disetiap titik yang dilaluinya. Selama
selang waktu tertentu massa fluida yang mengalir dalam pipa yang memiliki
luas penampang

=

(diameter pipa yang besar) adalah:

=

……………………….…(2.9)

=

……………………………………...….(2.10)

=

…………………………………....(2.11)

Dengan menggunakan persamaan (2.7) dimana
didapat:

=

=

maka

Demikian juga masaa fluida yang mengalir dalam pipa yang memiliki luas
penampang

(diameter pipa yang kecil) selama selang waktu yang tertentu

adalah:

=

…………………………………………..(2.12)

=

……………………………………...(2.13)

Dengan menggunakan persamaan (2.8) dimana
didapat:

=

=

maka

Mengingat dalam aliran tunak bahwa massa fluida yang masuk sama dengan
massa fluida yang keluar

=

, maka:

Universitas Sumatera Utara

=

=

………………………………..…..(2.14)

………………………………………(2.15)

� = � ……………………………………………(2.16)
Keterangan:

= Luas penampang satu
= Luas penampang dua

= Kecepatan aliran fluida pada penampang 1

= Kecepatan aliran fluida pada penampang 2

� =Laju aliran volume atau debit

Dari beberapa persamaan diatas dapat disimpulkan bahwa aliran volume atau
debit selalu sama pada setiap titik sepanjang pipa/tabung aliran. Ketika
penampang pipa menjadi besar, laju aliran fluida akan mengecil, dan
sebaliknya ketika penampang pipa mengecil, maka laju aliran fluida akan
meningkat.
c. Persamaan Kontinuitas untuk Fluida Termampatkan (compressible)
Pada fluida yang termampatkan atau compressible, massa jenis fluida
tidak sama. Dengan kata lain massa jenis fluida berubah ketika dimampatkan.
Dengan berpedoman pada persamaan yang telah diturunkan sebelumnya,
pada kasus ini massa jenis fluida tetap kita sertakan. Dapat kita lihat pada
persamaan (2.14) selang waktu aliran fluida sama sehingga dapat dihapus dan
persaaan berubah menjadi sebagai berikut:

2.2.3. Bilangan Reynolds

=

………………………..…………(2.17)

Dalam mekanika fluida, bilangan Reynolds adalah rasio antara gaya
inersia(vsρ) terhadap gaya viskos (μ/L) yang mengkuantifikasikan hubungan
kedua gaya tersebut dengan suatu kondisi aliran tertentu. Bilangan ini
digunakan untuk mengidentifikasikan jenis aliran yang berbeda, misalnya
laminar dan turbulen. Namanya diambil dari Osborne Reynolds (1842–1912)
yang mengusulkannya pada tahun 1883.

Universitas Sumatera Utara

Bilangan Reynolds merupakan salah satu bilangan tak berdimensi yang
paling penting dalam mekanika fluida dan digunakan. Jika dua pola aliran
yang mirip secara geometris, mungkin pada fluida yang berbeda dan laju alir
yang berbeda pula, memiliki nilai bilangan tak berdimensi yang relevan,
keduanya disebut memiliki kemiripan dinamis. Rumus bilangan Reynolds
umumnya diberikan sebagai berikut:

Keterangan:

=

� �
�

=

�

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

=Kerapatan (densitas) fluida
=Kecepatan fluida
=Diameter

`

�

/

/

� =Viskositas absolut fluida dinamis

� =Viskositas kinematic fluida: � = �/

�.

�.

2.2.4. Persamaan Bernoulli
Kaidah energi menyatakan bahwa suatu bentuk energi akan dapat
diubah menjadi bentuk energi lain. Arus air mengalir mengandung energi
energi tersebut dapat diubah bentuknya misalnya perubahan dari energi
potensial (tekanan) kedalam bentuk kinetis (kecepatan), atau sebaliknya. Arti
selanjutnya dari kaidah kekekalan energi adalah apabila arus air dalam
alirannya dilewatkan melalui turbin air, maka energi yang ada dalam air akan
diubah menjadi bentuk energi lain.
Energi dapat didefinisikan sebagai kemampuan untuk melakukan usaha.
Energi tidak dapat diciptakan maupun dihilangkan tapi hanya dapat dirubah.
Begitu juga dengan air yang mengalir dari ketinggian tertentu, dimana aliran
tersebut mengandung energi yang dapat dimanfaatkan untuk memutar roda
turbin.
Menurut Bernoulli apabila air dialirkan dalam pipa dari ketinggian
tertentu dan selisih ketinggian antara permukaan atas dan bawah adalah z dan
tidak terdapat energi yang masuk atau keluar.

Universitas Sumatera Utara

Untuk aliran tunak satu dimensi dengan kerapatan seragam disepanjang
aliran, persamaan Euler satu dimensi dapat untuk menentukan persamaan
gerakan aliran dari dua tempat yang ditinjau dari titik 1 ke titik 2.

�

+

+ � = …………..………………..…(2.18)

Persamaan diatas kemudian diintergalkan menjadi:

�

+

+� =

� � = �…………..………(2.19)

Atau:

�

+

+� =

�

+

+ � ..............................(2.20)

�

+

+ � +ℎ� ....................(2.21)

Persamaan di atas untuk persamaan bernoulli ideal. Persamaan berikut ini
adalah persamaan fluida aktual.

,

Keterangan:
�

�

+

+� =

= Tekanan

= Berat Jenis fluida
,

�

= Kecepatan aliran

= Percepatan grafitasi
�= Head ketinggian

�/
/

/

ℎ� = kerugian head

2.2.5 Kerugian Head (Head Losses)
Dalam suatu aliran fluida dalam saluran tertutup, baik itu jenis aliran
laminer maupunturbulen, pasti mengalami kerugian head (head losses).
Kerugian head ini disebabkan olehkerugian gesek di dalam pipa-pipa,
reduser, katup dan lain-lain. Faktor-faktor yangdiperhitungkan tidak hanya
kecepatan dan arah partikel, tetapi juga pengaruh kekentalan(viscosity) yang
menyebabkan gaya geser antara partikel-partikel zat cair dan juga antara

Universitas Sumatera Utara

zatcair dan dinding batas. Gerak zat cair tidak mudah diformulasikan secara
matematik,sehingga diperlukan anggapan-anggapan dan percobaan-percobaan
untuk mendukungpenyelesaian secara teoritis.
Persamaan energi yang menggambarkan gerak partikel diturunkan dari
persamaangerak. Persamaan energi ini merupakan salah satu persamaan dasar
untuk menyelesaikanmasalah yang ada dalam hidraulika. Persamaan energi
dapatditunjukkan oleh persamaanEuler dan persamaan Bernoulli. Pada fluida
nyata (riil) aliran yang terjadi akan mengalamigesekan dengan dinding pipa,
sehingga akan mengalami kehilangan energi. Kerugian head dikategorikan
atas 2 jenis yaitu:
a. Kerugian head mayor
Kerugian head ini terjadi akibat adanya gesekan antara dinding pipa
dengan fluida yang mengalir di dalamnya. Persamaan umum yang dapat
digunakan untuk mencarikerugianhead akibat gesekan dalam pipa dapat
dilakukan dengan menggunakan persamaan-persamaan berikut ini:
1. Persamaan Darcy – Weisbach
Persamaan

ini

digunakan

headakibatgesekan sepanjang

pipa

untuk

terhadap

menghitung
kecepatan aliran

kerugian
rata-rata.

Persamaan ini terbentuk ataskontribusi HenryDarcy dan Julius Weisbach
pada tahun 1845. Persamaan ini memberikan hasil yang baik untuk pipa yang
relatif pendek yang memiliki aliran laminar, transien, dan turbulen yang tidak
terlalu besar. Untuk sistem pemipaan yang terdiri dari bermacam-macam pipa
akan lebih rumit dalam penghitungannya dan akan lebih mudah jika
digunakan software, seperti Pipeflow Expert. Persamaan ini sering digunakan
untuk penghitungan dengan beda energi yang sangat besar. Persamaan ini
secara teori memiliki hasil yang baik karena paramater penghitungannya
lengkap. Berikut ini adalah persamaan Darcy – Weisbach.
�

ℎ = . .

………………………………………(2.22 )

Universitas Sumatera Utara

Keterangan:

ℎ =Kerugian head akibat gesekan
= Panjang pipa

=Diameter pipa

=Kecepatan aliran pada pipa
= Percepatan gravitasi

⁄

⁄

= Faktor gesekan (diperoleh dari interpolasi diagram

Moodantara nilaibilangan Reynolds dan relative
roughness)
2. Persamaan Hazen - Williams

Persamaan ini dikenalkan oleh Gardner Williams dan Allan Hazen
pada tahun 1902. Persamaan ini sebagai pengembangan dari persamaan
Chezy. Rumus ini pada umumnya dipakai untuk menghitung kerugian head
dalam pipa yang relatif sangat panjang seperti jalur pipa penyalur air minum.
Persamaan ini lebih mudah

digunakan untuk menghitung kerugian pipa

secara manual pada sistem yang terdiri dari bermacam-macam pipa
dibandingkan dengan menggunakan persamaan Darcy-Weisbach. Persamaan
ini digunakan hanya untukaliran turbulen. Bentuk umum persamaan Hazen –
Williamsditunjukkan pada persamaan berikut ini.

Keterangan:

ℎ =

,

,

� ,
,

…………………………..(2.23)

ℎ =Kerugianhead akibat gesekan
� = Debit air

/

= Diameter dalam pipa
= Panjang pipa

=Resistance Coefficient (terdapat pada lampiran 3)
3. Persamaan Colebrook-White
Faktor gesekan untuk aliran turbulen dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan Colebrook-White. Persamaan ini untuk aliran yang
memiliki bilangan Reynold lebih dari 4000. Nilai f yang telah diperoleh

Universitas Sumatera Utara

kemudian digunakan pada Persamaan Darcy-Weisbach. Persamaan berikut ini
adalah persamaan Colebrook-White.

√

Keterangan:

= ,

�

−

( +

= Faktor kekasaran

,

� √

)………………(2.24)

� = Koefisien Kekasaran
= Diameter pipa

= Bilangan Reynold
4. Persamaan Swamee-Jain
Persamaan Swamee-Jain memiliki faktor koreksi hingga 1 persen dari
persamaan Colebrook-White untuk kekasaran relatif (ε/D)dari 10-6 sampai 102

serta untuk bilangan Reynold (Re) 5000 hingga 108. Persamaanberikut ini

adalah persamaanSwamee-Jain.

=
Keterangan:

[

�

,

,
, � �� ,

+

]

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

=Faktor kekasaran

� =Koefisien Kekasaran (m) (terdapat pada lampiran 4)
=Diameter pipa (m)

=Bilangan Reynolds
5. Persamaan Hardy Cross
Persamaan Hardy Cross adalah metode iterasi untuk menentukan
debit aliran di sistem jaringan pipa dimana data input dan ouput pada pipa
diketahui, sedangkan data debit aliran di dalam pipa tidak diketahui. Metode
ini dikenalkan pada bulan November 1936 oleh Hardy Cross, professor dari
Universitas Illnois, Urbana. Berikut ini adalah persamaan Hardy Cross untuk
hubungan antara kerugian head dan debit.

ℎ = . � .................................................................(2.26)

Universitas Sumatera Utara

Keterangan:

ℎ =Kerugian head mayor

=Kerugian headtiap satuan debit aliran

� =Debit aliran

/

=Pangkat debit aliran

Tabel 2.1 Tabel nilai k dan n untuk persamaan Hardy Cross
Persamaan Kerugian

Hubungan

K

N

head
Persamaan

Hazen-

Williams
Persamaan

Darcy-

Weisbach

10,67 Q 1,85
L
hf = 1,85
C
D 4,87

hf =

10,67
L
1,85
C
D 4,87

1.85

2

ℎ =

ℎ =

Sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/Hardy_Cross_method
6. Persamaan Manning
Persamaan Manning dikenal juga dengan persamaan GaucklerManning. Persamaan Manning adalah persamaan empiris untuk mengukur
kecepatan rata-rata dari aliran fluida pada saluran yang tidak tertutup
sempurna (aliran saluran terbuka). Persamaan ini diperkenalkan oleh insinyur
dari Prancis bernama Philippe Gauckler pada tahun 1867 dan kemudian
kembali dikembangkan oleh insinyur Irlandia,Robert Manning, pada tahun
1890. Adapun persamaanGauckler–Manningadalah sebagai berikut.

Keterangan:

=

ℎ

/

/

..........................................(2.27)

= Kecepatan aliran rata-rata pada penampang (m/s)
= Faktor konversi dari

/ /

/ / ; nilai k

bervariasi dari 20 (untuk batu halus dan permukaan
halus) sampai 80 (untuk beton halus dan besi tuang)
= Koefisien Gauckler–Manning (tanpa satuan)

ℎ = Radius hidrolik

= /

Universitas Sumatera Utara

=Gradien dari head losses mayor dan panjang pipa
( =ℎ /

7. Persamaan Chezy

Pada dinamika fluida, persamaan Chezy menggambarkan kecepatan
aliran rata-rata pada aliran pipa turbulen terbuka dan steady. PersamaanChezy
dituliskan dengan persamaan berikut ini.

= √ �.......................................................(2.28)

= Kecepatan rata-rata

Keterangan:

⁄

=Koefisien Chezy

/

/

= Radius hidrolik (m)= A/P

� = Gradien antara kerugian head mayor dan panjang pipa
/

= ℎ /

Persamaan ini dikenalkan oleh insinyur hidrolik PrancisAntoine de Chezy,
pada tahun 1775.Koefisien Chezy diperoleh dari persamaan berikut ini.

=

/

....................................................(2.29)

= Koefisien Chezy (m½/s)

Keterangan:

= Radius hidrolik (m)

=Koefisien kekasaran Manning
8. Kerugian Head Minor
Kerugian head minor terjadi diawal pipa, belokan pipa, perubahan
penampang, dan lain sebagainya (fitting). Kerugian ini dapat dinyatakan
dengan persamaan berikut ini.

Keterangan:

ℎ

ℎ =∑

……………………………..(2.30)

=Kerugian head minor

= Kecepatan air dalam pipa

/

Universitas Sumatera Utara

∑

9. KerugianHead Total

=Total koefisien kerugian pada fitting

Kerugianheadtotal (hL) adalah hasil penjumlahan kerugianhead mayor
dan

kerugianheadminor.

Rumus

untuk

mencari

kerugianheadtotal

ditunjukkan pada persamaan di bawah ini:

Keterangan:

ℎ�

ℎ� = ∑ ℎ + ∑ ℎ …………………………(2.31)

= Total kerugian head

∑ ℎ = Total kerugian headmayor

∑ ℎ = Total kerugianheadminor
2.3Turbin Air

Turbin secara umum dapat diartikan sebagai alat yang dapat mengubah
energi ptensial menjadi energi mekanik. Turbin ada beberapa jenis seperti: turbin
uap, turbin gas, turbin angin dan turbin air.
Secara umum prinsip kerja dari turbin air adalah aliran air di dalam pipa
pesat yang mengandung energi diarahkan ke roda turbin melalui inlet valve,
kemudian energi yang ada di dalam air ini akan diubah bentuknya menjadi energi
mekanik pada roda turbin berupa putaran. Putaran roda turbin inilah yang
dimanfaatkan untuk menggerakkan suatu beban, salah satu contohnya adalah
untuk menggerakkan generatr pembangkit listrik.

2.3.1. Sejarah Turbin Air
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.

Universitas Sumatera Utara

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 test yang memuaskan dan mengembangkan
metode engineering untuk desain turbin air. James B.Francis ditunjukkan
pada gambar 2.1berikut ini.

Gambar 2.2. James B.Francis
(Sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/James_B._Francis )
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

Universitas Sumatera Utara

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.
Victor Kaplan ditunjukkan pada gambar 2.3berikut ini.

Gambar 2.3Victor Kaplan
(Sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/Viktor_Kaplan )
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

Universitas Sumatera Utara

turbin impulse atau turbin tangensial. Aliran air mendorong ceruk disekeliling
kincir turbin pada kecepatan maksimum dan jatuh keluar sudu dengan tanpa
kecepatan. Lester Pelton ditunjukkan pada gambar 2.4berikut ini.

Gambar 2.4Lester Pelton
(Sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/Lester_Allan_Pelton )
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

Universitas Sumatera Utara

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.

2.3.2 Prinsip Kerja Turbin Air
Secara umum prinsip kerja dari turbin air ini adalah aliran air di dalam
pipa pesat yang mengandung energi diarahkan ke roda turbin melalui nozzle,
kemudian energi yang di dalam air ini pada roda turbin di ubah bentuknya
menjadi energi mekanik berupa putaran. Putaran roda turbin inilah yang
dimanfaatkan untuk menggerakkan suatu beban, salah satu contohnya adalah
untuk menggerakkan generator pembangkit listrik.Konstruksi dasar dari
turbin air terdiri dari dua bagian utama yaitu rotor dan stator. Rotor adalah
bagian–bagian dari turbin yangberputar (rotating) seperti roda turbin
(runner), poros, kopling, roda gaya; sedangkanstator adalah bagian–bagian
dari turbin yang diam (statis) seperti saluran masuk (pipa pesat), rumah siput
(spiral case), sudu tetap (stay vane), sudu pengarah (guide vane), pipa isap,
saluran buang, dan lain–lain.Adapun contoh turbin air dapat kita lihat pada
gambar 2.5.

Gambar 2.5 Turbin Air Poros Vertikal
(Sumber : http://en.wikipedia.org/wiki/Water_turbine)

Universitas Sumatera Utara

Contoh sistem turbin air tersebut dapat dilihat seperti gambar 2.5 di
halaman sebelumnya. Dari gambar turbin air poros vertical tersebut dilihat
komponen utama yaitu:
a. Sudu tetap (nozzle), yang berfungsi untuk mengarahkan aliran fluida
kerja (air) masuk de dalam sudu gerak.
b. Sudu gerak, sudu gerak ini dipasang pada sekeliling roda turbin, yang
mana fungsinya adalah untuk menerima tekanan dari kecepatan fluida
kerja air masuk dan keluar sudu.
c. Rotor (roda turbin), suatu tempat dudukan sudu gerak, berfungsi untuk
meneruskan daya putar yang diterima dari sudu gerak keporos yang
menghandarkan putaran daya ke generator.
d. Poros, yang berfungsi untuk mentransmisikan daya atau tenaga
bersama–sama dengan putaran roda turbin dan juga dapat berfungsi
untuk mendukung suatu momen putar.
e. Stator (rumah turbin), berfungsi untuk melindungi atau untuk
pengamanan dari proses kerja turbin, dan juga untuk mendukung
konstruksi turbin secara keseluruhan.
f. Generator listrik, berfungsi untuk mengubah tenaga mekanis dari
poros turbin menjadi tenaga listrik.

2.3.3 Klasifikasi Turbin Air
Turbin air pada umumnya diklasifikasikan ke dalam enam pembagian,
yaitu seperti berikut ini.
1. Berdasarkan head dan kuantitas air yang tersedia
Berdasarkan pembagian ini turbin terdiri dari dua jenis, yaitu:
a. Turbin impuls, yang digunakan padahead tinggi dan kuantitas aliran
yang rendah.
b. Turbin reaksi, yang digunakan padahead rendah dan kuantitas aliran
yang tinggi. Selain itu digunakan juga pada head sedang dan kuantitas
aliran sedang serta head dan kuantitas aliran rendah.

Universitas Sumatera Utara

2. Berdasarkan nama penemu
Berdasarkan pembagian ini turbin air dibagi menjadi tiga jenis yaitu:
a. Turbin Pelton, ditemukan oleh Lester Allen Pelton dari California,
Amerika. Turbin ini termasuk jenis turbin impuls dan digunakan pada
head tinggi dan discharge rendah.
b. Turbin Francis, ditemukan oleh James Bichens Francis. Turbin ini
termasuk jenis turbin reaksi untuk head tinggi sedang ke rendah
sedang dan rendah sedang ke dischargetinggi sedang.
3. Berdasarkan aksi air pada sudu yang bergerak
Berdasarkan pembagian ini turbin dibagi menjadi dua jenis, yaitu:
a. Turbin Impulse, yang termasuk dalam jenis turbin ini yaitu turbin
Pelton.
b. Turbin Reaksi, yang termasuk dalam jenis turbin ini yaitu turbin
Francis, turbin Kaplan dan Propeller.
4. Berdasarkan arah aliran air ke runner
Berdasarkan pembagian ini turbin dibagi menjadi empat jenis, yaitu:
a. Turbin aliran tangensial, yang termasuk dalam jenis turbin ini yaitu
turbin Pelton. Pada turbin ini, air menghantam runner secara tangensial
sesuai dengan jejak rotasi.
b. Turbin aliran radial.
c. Turbin aliran aksial, yang termasuk dalam jenis turbin ini yaitu turbin
Kaplan. Air pada turbin ini mengalir secara pararel searah dengan
sumbu poros turbin. Pada turbin kaplan ini runner blades dapat diatur
dan dirotasi sekitar titik pusat yang tetap pada runner boss. Jika runner
blades dari turbin aliran aksial bersifat tetap dan tidak dapat diatur,
maka turbin itu disebut sebagai turbin Propeller.
d. Turbin aliran campuran (radial dan aksial), yang termasuk dalam jenis
turbin ini yaitu turbin Francis. Pada turbin ini, air masuk ke sudu
secara radial dan keluar secara aksial, sejajar dengan poros turbin.
5. Berdasarkan posisi poros turbin
Berdasarkan pembagian ini turbin dibagi menjadi dua jenis, yaitu:

Universitas Sumatera Utara

a. Turbin vertikal, yang memiliki poros vertikal
b. Turbin horizontal, yang memiliki poros horizontal.
6. Berdasarkan kecepatan spesifik
Berdasarkan pembagian ini turbin dibagi menjadi dua jenis, yaitu:
a. Turbin dengan kecepatan spesifik rendah, yang bekerja pada head
tinggi dan discharge rendah.
b. Turbin dengan kecepatan spesifik tinggi, yang bekerja pada head
rendah dan dischargetinggi.
Berikut ini adalah penjelasan secara detail mengenai turbin impuls dan
reaksi serta turbin-turbin yang termasuk di dalamnya.
a. Turbin Impuls
Turbin impuls adalah turbinair yang carakerjanya dengan merubah
seluruh energi air (yang terdiri dari energi potensial-tekanan-kecepatan) yang
tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan
energi mekanikdalam bentuk putaran poros. Atau dengan kata lain, energi
potensial air diubah menjadi energi kinetik.
Pada turbin impuls energi potensial air dirubah menjadi energi kinetik
pada nosel. Air keluar nosel yang mempunyai kecepatan tinggi membentur
sudu turbin. Setelah membentur sudu turbin arah kecepatan aliran berubah
sehingga terjadi perubahan momentum (impuls). Akibatnya roda turbin akan
berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang
keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir
sekitarnya.Beberapa contoh dari turbin impuls adalah:
 Turbin Pelton
Turbin ini dipakai untuk head yang besar. Aliran air di dalam pipa
akan keluar dengan kecepatan tinggi air jatuh H, yang dihitung dari
permukaan air atas sampai ke tengah-tengah pancaran air, dan tidak sama
dengan turbin tekanan lebih dimana H dihitung sampai tinggi permukaan
air bawah. Di bagian bawah roda turbin ada suatu tempat yang dinamakan

Universitas Sumatera Utara

ruang bebas yang dirancang sekecil mungkin agar aman dalam batas yang
diizinkan.
Bentuk sudu turbin, seperti terdiri dari dua bagian yang simetris,
agar bisa membalikkan pancaran air dengan baik dan dapat membebaskan
sudu dari gaya-gaya samping. Tidak semua sudu menerima pancaran air,
tetapi hanya sebagian saja secara bergantian tergantung posisi sudu
tersebut. Jumlah nosel tergantung pada besarnya kapasitas air dimana tiap
roda turbin bisa dilengkapi dengan satu sampai enam nosel.

Gambar 2.6 Turbin Pelton
(Sumber: http://www.hydrosolarenergy.gr/page3.php)

Gambar 2.6 di atas adalah turbin Pelton yang terdiri dari satu set sudu
jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari lima alat alat
yang disebut nosel. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang
paling efisien.
 Turbin Crossflow
Turbin ini sering disebut sebagai Turbin Michell-Banki yang
merupakan penemunya. Selain itu juga disebut Turbin Osberger yang
merupakan perusahaan yang memproduksi turbin crossflow. Turbin crossflow
dapat dioperasikan pada debit 20 liter/sec hingga 10 m3/sec dan head antara 1
s/d 200 m.

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.7 Turbin Crossflow
(Sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/Cross-flow_turbine)
Gambar 2.7 di atas adalahturbin Crossflow yang menggunakan nosel
persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pancaran air
masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetis
menjadi energi mekanis. Air mengalir keluar membentur sudu dan
memberikan energinya (lebih rendah dibanding saat masuk) kemudian
meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang
pada sepasang piringan paralel.

Gambar 2.8 PenampangTurbin Crossflow
(Sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/Cross-flow_turbine)

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.8di atas adalah penampang dari turbin crossflow yang
terdiri dari komponen sebagai berikut:
1.

air-venting valve

2. distributor
3. turbine casing (all thick grey)
4. runner
5. removable rear casing
6. blades
7. water flow
8. shaft
 Turbin TurgodanNozzle

Gambar 2.9 Sudu turbin turgo dan nozzle
(Sumber: http://e.4shared.com/linkerror.jsp?no-sf=1&nowww=223)

Gambar 2.9 di atas ini adalahturbin Turgo dapat beroperasi pada head
30 s/d 300 m. Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbin impulse,
tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nosel membentur sudu pada sudut
20o. Kecepatan putar turbin turgo lebihbesar dari turbin Pelton. Akibatnya
dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga
menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan.

Universitas Sumatera Utara

b. Turbin Reaksi
Pada turbin reaksi, energi yang tersedia pada saluran masuk hanya
sebagiansaja yang dirubah menjadi energi kinetik sedangkan sisanya tetap
dalam bentuk energi tekan. Ketika air mengalir melalui roda gerak/runner
terjadi perubahan energi tekan menjadi energi kinetik secara berangsurangsur. Turbin reaksi disebut juga dengan turbin tekanan lebih karena tekanan
air sebelum masuk roda turbin lebih besar dari pada tekanan air saat keluar
roda turbin. Secara umum dapat dikatakan bahwa aliran air yang masuk
keroda turbin mempunyai energi penuh, kemudian energi ini dipakai sebagian
untuk menggerakkan roda turbin dan sebagian lagi dipergunakan untuk
mengeluarkan air kesaluran pembuangan. Jenis turbin reaksi yang sering
digunakan antara lainsebagai berikut:
 Turbin Francis
Bagian –bagian utama dari turbin francis adalah sebagai berikut:
 Rumah spiral yang menerima air dari pipa pesat dan mengarahkan air
ke turbin(runner).
 Bagian turbin yang berputar (runner).
 Pipa pelepas air (draft-tube) yang meneruskan air dari turbin ke saluran
pembuangan.

Gambar 2.10 Turbin Francis
(Sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/Francis_turbine)

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.10 di halaman sebelumnya adalahturbin Francisyang
dipasang diantara sumber tekanan air 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 ini akan dibahas lebih lanjut pada sub
bab berikutnya.
 TurbinKaplan (Propeller)

Gambar 2.11 Turbin Kaplan
(Sumber:http://www.mecaflux.com/en/turbines.htmttp://hydropowerplantsttpl
n.blogspot.com/2012/02/pelatihan-di-bandung.html)
Gambar 2.11 di atas adalahturbin Kaplan dan Propeller merupakan
turbin reaksi aliran aksial. Turbin ini terususun dari propeller seperti pada
perahu. Propeller tersebut biasanya mempunyai tiga hingga enam sudu.Pada
turbin kaplan ini runner blades dapat diatur dan dirotasi sekitar titik pusat
yang tetap pada runner boss. Jika runner blades dari turbin aliran aksial

Universitas Sumatera Utara

bersifat tetap dan tidak dapat diatur, maka turbin itu disebut sebagai turbin
Propeller.

2.3.4 Perbandingan Karakteristik Turbin Air
Perbandingan karakteristik turbin dapat kita lihat pada grafik flow
(m3/s) vshead (m) adalah seperti dtunjukkan pada gambar 2.12 di bawah ini.

Gambar 2.12 Grafik Perbandingan Karakteristik Turbin.
(Sumber:Sunyoto, Teknik Mesin Industri Jilid 3 untuk SMK)
Bedasarkan gambar 2.12 di atas, 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 sudusudu 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 yang berbeda dengan yang
lainnyayaitu turbin francis dapat beroperasi pada head yang rendah atau
beroperasi pada head yang tinggi.

Universitas Sumatera Utara

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.

2.3.5 Pemilihan Jenis Turbin
Secara teoritis dalam perencanaan pemilihan jenis turbin ditentukan
berdasarkan kecepatan spesifik (ns) dan tinggi jatuh air efektif (He).
 Pemilihan berdasarkan tinggi jatuh air
Pemilihan dengan berdasarkan tinggi jatuh air diperoleh, maka dapat
dilihat pada tabel 2.2 berikut ini.
Tabel 2.2 Pemilihan Jenis Turbin Berdasarkan Tinggi Jatuh Air
No

Tinggi jatuh air / head (m)

Type / Jenis Turbin

1

0 sampai 25

Kaplan atau Francis
(lebih cocok Kaplan)

2

25 sampai 50

Kaplan atau Francis
(lebih cocok francis)

3

50 sampai 150

Francis

4

150 sampai 250

Francis atau pelton
(lebih cocok francis)

Universitas Sumatera Utara

5

250 sampai 300

Francis atau pelton
(lebih cocok pelton)

6

Di atas 300

Pelton

Sumber:RSKhurmi. A Text Book of Hydraulic, Fluid Mechanics, and
Hydraulic Machines
 Pemilihan berdasarkan kecepatan spesifik
Kecepatan spesifik adalah kecepatan turbin dimana dapat dihasilkan 1
HP untuk setiap tinggi jatuh air (H) = 1 Ft. kecepatan spesifik dari suatu
turbin dapat diketahui dengan mempergunakan persamaan dan kondisi yang
diketahui.Setelah dihitung atau didapatkan nilai nsdengan mempergunakan
persamaan maka dapat dipilih jenis turbin dengan menggunakan tabel 2.3 di
bawah ini.
Tabel 2.3 Pemilihan Jenis Tturbin Berdasarkan Kecepatan Spesifik
No Kecepatan spesifik (rpm)

Type / Jenis turbin

1

10 sampai 35

Turbin Pelton dengan Nozzel tunggal

2

35 sampai 60

Turbin Pelton dengan dua Nozzel atau
lebih

3

60 sampai 300

Turbin Francis

4

300 sampai 1000

Turbin Kaplan

Sumber:RSKhurmi.A Text Book of Hydraulic, Fluid Mechanics, and
Hydraulic Machines

2.4. Dasar-dasar Perhitungan Turbin
Ada beberapa perhitungan yang diperlukan untuk menganalisa sebuah
turbin yaitu:
2.4.1. Debit Air
Daya yang dapat dihasilkan oleh suatu turbin sangat bergantung pada
debit air yang tersedia. Oleh karena itu debit air merupakan hal yang sangat
menentukan dalam perencanaan turbin air. Sesuai dengan persamaan

Universitas Sumatera Utara

kontinuitas debit air yang mengalir dalam pipa bertekanan dapat dihitung
menggunakan persamaan:

Dimana: � = Debit air

� = . ……………………………………(2.32)
/

= Kecepatan aliran air

= Luas penampang pipa

/

2.4.2. Kecepatan Spesifik
Kecepatan spesifik dapat didefinisikan sebagai jumlah putaran roda
turbin dimana dapat dihasilkan daya 1�

untuk setiap jatuh air 1 .

Persamaan kecepatan spesifik dapat dirumuskan sebagai:

=

� ⁄

ℎ ⁄

……………………….(2.33)

=kecepatan putaran turbin

Dimana:
ℎ

.

� = Daya Turbin
= Head

�

Adapun gambar dibawah ini menunjukkan kecepatan spesifik dari turbin Impulse,
Francis dan Kaplan

Gambar 2.13. Grafik Kecepatan Spesifik Turbin

Universitas Sumatera Utara

2.4.3. Tinggi Jatuh Air
Pada suatu instilasi pembangkit listrik ada terdapat dua macam tinggi
jatuh air yaitu tinggi jatuh air aktual dan tinngi jatuh air efektif. Untuk jenis
turbin air tekanan sama , tinggi jatuh air aktualnya akan dihitung dari
permukaan air di dalam kolam penampung sampai ke tengah-tengah pancaran
air dari nozzle.Sedangkan untuk jenis air tekanan lebih tinggi, jatuh air aktual
dihitung dari permukaan kolam penampung sampai ke permukaan air bawah.
Adapun gambar dari Tinggi Jatuh Air untuk Turbin Tekanan Lebih
Tinggi dapat kita lihat pada gambar 2.13 berikut ini.

Gambar 2.13 Tinggi Jatuh Air untuk Turbin Tekanan Lebih Tinggi
. Adapun yang dimaksud dengan tinggi jatuh air efektif adalah tinggi
jatuh air aktual dikurangi kerugian energy (head losses) disepanjang saluran
pipa seperti ditunjukkan pada persamaan berikut:

Dimana: �
�

�

=�

= Tinggi jatuh air efektif

− ∑ �� …………………….(2.34)

= Tinggi jatuh air maksimum

∑ �� =Head losses

Universitas Sumatera Utara

2.4.4. Daya Air (Water Horse Power), Daya Turbin (Brake Horse Power)
dan Efisiensi
Besarnya daya air (Water Horse Power) dapat diperoleh dari kapasitas
air dan tinggi jatuh air efektif seperti ditunjukkan pada persamaan berikut:

� = �. . . �

……………………(2.35)

Sedangkan untuk menghitung besarnya daya yang dihasilkan oleh generator
adalah dengan menggunakan persamaan berikut:

= . . �. �. � . �

� � …………..(2.36)

Sedangkan untuk menghitung efisiensi system pembangkit pada sebuah
pembangkit digunakan persamaan berikut ini:

�

=

�

�

�

…………..…….(2.37)

Dengan menggunakan persamaan diatas, maka daya yang dihasilkan oleh
turbin dapat dihitung dengan persamaan berikut ini:

� =

��
��

…………………………………..(2.38)

Adapun untuk menghitung efisiensi turbin adalah perbandingkan antara daya
yang dihasilkan oleh turbin dengan dengan daya yang dihasilkan oleh air
seperti yang ditunjukkan persamaan berikut:

Dimana: �
�
�

�

�

�

= Debit air

�

=

/

�

�

……………………………..(2.39)

= Kerapatan (densitas) air
=Percepatan gravitasi
= Head

= Daya generator

/

/

�

= Efisiensi generator %

= Efisiensi Turbin %

Universitas Sumatera Utara

�

�

� �

�

= Efisiensi transmisi poros %

= Daya air

�

= Daya Turbin

�

2.5Turbin Francis
Turbin francis petama kali dikembangkan oleh James B. Francis.Pada
tahun 1848 dia mampu membuktikan desainnya untuk menciptakan turbin dengan
efisiensi sampai dengan 90%.Dia mengaplikasikan ilmu science dengan metode
pengujian untuk menghasilkan turbin dengan efisiensi yang cukup besar,
kemudian ia juga membuktikannya dengan perhitungan matematika dan grafik.
Turbin francis adalah salah satu jenis turbin air (hidraulik) yang paling
sering digunakan sampai sekarang.Turbin ini beroperasi dalam headrange antara
10 sampai beberapa ratus meter dan fungsi utamanya adalah dalam memproduksi
tenaga listrik. Memiliki vane antara 9 atau lebih, dimana air akanmengenai vanevane tersebut dan mengelilinginya hingga dapat menyebabkannya berputar.
Turbin francis bekerja dengan mengunakan proses tekanan lebih. Pada
waktu air masuk ke roda jalan, sebagian dari energi tinggi jatuh telah bekerja di
dalam sudu pengarah (runner) dan diubah sebagai kecepatan arus masuk,
kemudian sisa energi tinggi jatuh dimanfaatkan di dalam sudu jalan.Adanya pipa
isap memungkinkan energi tinggi jatuh bekerja di sudu jalan dengan semaksimum
mungkin.Turbin ini termasuk turbin reaksi aliran yang mengkombinasikan konsep
aliran radial dan axial.Temasuk dalam turbin reaksi yangberarti kerja fluida dalam
hal ini air mengubah tekanan dan bergerak memasuki turbin dan memberikan
energi.
Inlet dari turbin Francis berbentuk spiral (rumah keong) yang
menyebabkan air bergerak tangensial memasuki daun baling-baling runner
(penggerak turbin), aliran radial ini mengenai runner dan menyebabkan runner ini
berputar. Turbin francis terbagi dua yaitu turbin Francis dengan posisi poros
vertikal atau horizontal.

Universitas Sumatera Utara

2.5.1

Prinsip Kerja Turbin Francis
Turbin francis termasuk salah satu turbin reaksi, artinya fluida yang

bekerja mengubah tekanan bersamaan dengan gerak dari turbin tersebut, yang
menghasilkan energi. Inletnya berbentuk spiral. Guide vane membawa air secara
tangensial menuju runner. Aliran radial ini bekerja pada runner vanes,
menyebabkan runner berputar. Guide vane (atau wicket gate) dapat disesuaikan
untuk memberikan operasi turbin yang efisien untuk berbagai kondisi aliran air.
Air pertama kali memasuki pipa isap (penstock) lalu mengalir ke spiral
casedanmengelilingi stay vane sehingga air dapat mengalir ke dalam runner
dengan kecepatan merata. Sebelum memasuki runner, air melewati guide vane
yang berfungsi untuk mengarahkan air atau mengubah sudut masuk air sehingga
bisa diatur debit air yang masuk ke turbin. Guide vane dapat disesuaikan untuk
memberikan derajat adaptabilitas untuk bermacam-macam variasi pada kecepatan
aliran air dan beban dari turbin. Air mengalir secara radial tangensial
menumbukrunner. Runner dilengkapi dengan vane berbentuk kurva yang akan
ditabrak oleh air. Setelah melewati runner, air keluar dari runner ke pipa isap
secara aksial.

2.5.2 Komponen Utama Turbin Francis PLTA Tangga
PLTA (Pembangkit Listrik Tenaga Air) merupakan pusat pembangkitan
listrik yang menggunakan energi potensial yang dihasilkan oleh air, sehingga
dapat memutarkan turbin air dan menggerakkan generator. Pola PLTA ini dapat
memutarkan sebuah turbin air dan menggerakkan generator. Pola PLTA ini dapat
menggunakan sistem bendungan atau aliran sungai (run of river). Pada turbin
banyak sekali terdapat komponen-komponen yang saling berkaitan satu dengan
yang lainnya. Adapun yang menjadi komponen utama sebuah Pembangkit Listrik
Tenaga Air yaitu sebagai berikut :
a. Pipa Pesat (penstock)
Merupakan saluran utama tempat masukknya air dari ketinggian
dan tekanan tertentu yang memutar runner. Dalam pengoperasiannya,

Universitas Sumatera Utara

aliran iar yang masuk melalui inlet valve yang berfungsi untuk membuka
dan menutup aliran untuk keadaan tertentu. Selanjutnya inlet valve ini
digunakan oleh servemotor.
b. Inlet Valve
Merupakan suatau katup pada saluran penstock yang berdekatan
dengan sudu masuk turbin, yang berfungsi membuka dan menutup saluran
air yang menuju turbin pada waktu pengoperasian. Inlet valve berbentuk
spherical

dengan diameter di dalamnya dua meter dan dioperasikan

dengan minyak bertekanan yng disuplai oleh pressure oil tank

atas

perintah governor. Sebelum pembukaan inlet valve maka yang terlebih
dahulu terbuka adalah bypass valve untuk mengisi draft tube agar tekanan
antara bagian penstock dan spiral case sama sebelum air benar-benar
masuk dan memutar turbin.
Jika tekanan didalam spiral case dan penstock sudah sama, maka
inlet valve dapat dibuka. Hal ini dilakukan untuk menghindari kenaikan
tekanan yang tiba-tiba pada spiral case. Inlet valve didesain dan
dikonstruksi agar berpontensi dengan lancar dab mampu membuka dan
menutup dalam waktu 60 detik. Inlet valve diikat dengan kuat pada alas
beton dengan beberapa baut jangkar. Adapun inlet valve dapat dilihat pada
gambar 2.14 berikut ini.

Universitas Sumatera Utara

Inlet Valve

Gambar 2.14. Penstock yang Dihubungkan oleh Inlet Valve
Adapun jack hidrolik dalm hal ini berfungsi sebagai alat untuk membuka
dan menutup katup. Jack hidrolik sendiri digerakkan oleh servomotor
dengan sistem hidrolik menggunakan fluida cairan yaitu oli.
c. Rumah Keong ( Spiral Case )

Merupakan rumah turbin yang berbentuk spiral. Spiral case
terbuat dari alat plat baja kulaitas tinggi dengan sambungan radial. Spiral
case ini dibagi dalam 4 bagian pada saat kontruksi, pembagian ini
dilakukan agar diperoleh ukuran fisik dan berat yang memudahkan untuk
pengangkatan melalui darat dan perkapalan. Spiral case di PLTA
siguragura dirancang tahan terhadap tekanan maksimum internal 32,7
kg/cm2, yang diperhitungkan dari tinggi maksimum dan tekanan rata-rata
ke surge tank dan akibat water hammer. Rumah keong dapat kita lihat
pada gambar 2.15

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.15. Rumah Keong (Spiral Case)
d. Stay Vane
Stay Vane

berfungsi sebagai pengarah aliran air. Stay vane

mengarahkan aliran air ke runner, sehingga arah aliran air tepat untuk
memberikan tekanan yang maksimum ke runner blad