Dalam suatu sistim PLTA, turbin air merupakan salah satu peralatan utarna selain generator. Turbin air adalah alat untuk mengubah energi air menjadi energi puntir. Energi puntir ini kemudian diubah menjadi energi listrik oleh generator.
1. JENIS-JENIS TURBIN
Turbin air dapat dikiasifikasikan berdasarkan beberapa cara, namun yang paling utama adalah klasifikasi turbin air berdasarkan cara turbin air tersebut merubah energi air menjadi energi puntir. Berdasarkan kiasifikasi ini, maka turbin air dibagi menjadi dua yaitu:
1. Turbin impuls dan
2. Turbin reaksi.
1.1. Turbin Impuls
Yang dimaksud dengan turbin impuls adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air (yang terdiri dan energi potensial + tekanan + kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi puntir. Contoh: turbin Pelton.
Turbin Pelton atau turbin dengan pancaran bebas (gambar 2) adalah sebuah turbin dengan tekanan sama. Roda jalan dari turbin Pelton kebanyakan dipasang dengan poros yang datar (horisontal). Pada garis keliling roda jalan dipasangkan sudu-sudu berbentuk setengah bola dan menyerupai bokor. Melalui satu atau dua penyemprot air, yang pancarannya memperlihatkan penampang lingkaran, merupakan garis singgung pada sudunya. Karena adanya penyekat pada bagian tengah sudu yang berbentuk bokor itu (gambar 3) pancaran air itu terbagi menjadi dua aliran bagian. Pembulatan dari bokor
membelokkan kedua pancaran air yang terbagi itu hampir 180° Sebagai akibat dan terbaginya pancaran air pada kedua belahan bokor tenaga yang ditimbulkan karena pembelokan pancaran sebetulnya besarnya sama, namun arah kerjanya berlawanan. Oleh karenanya tenaga tersebut saling imbangi. Roda-Pelton itu dengan demikian tidak menunjukkan adanya penggeseran aksial. Di bagian atas roda jalan itu dilindungi oleh suatu rumah/wadah, yang dalam pada itu ke bawah untuk pembuangan air terbuka sama sekali. Poros roda jalan pada kedua sisinya dipasangkan pada rumahnya. Roda jalan itu tidak boleh dicelupkan ke dalam air bawah yang mengalir keluar. Kecepatan dari pan caran air yang men erjang sudu dan banyaknya air menentukan daya kerja turbin-Pelton. Hal ini diatur dengan mengubah garis-tengah lubang pengeluaran dari penyemprotnya. Untuk maksud tersebut dipasang di tengah-tengah pada penyemprot sebuah jarum yang dapat digeser-geser, yang mempunyai kepala berbentuk bawang, dan menurut keadaan melepaskan garis tengah cincin lingkaran yang lebih besar atau lebih kecil. Jika beban turbin tiba-tiba menjadi lebih kecil, maka pada tiaptiap penyemprot berputar sebuah pembelok pancaran ke dalam pancaran air yang menyemprot dari penyemprot dan memisahkan suatu arus cabang (gambar 4). Sekarang jarum penyemprot itu menggeser ke depan menuju ke lubang pengeluaran, ketika massa air yang mengalir keluar menjadi berkurang, sebagai akibat mengecilnya penampangpenyemprot (nozel). Pada waktuyangbersamaan pembelok pancaran itu bergerak kembali ke kedudukan semula. Andaikata pada turunnyabeban secara mendadak jarum nozel itu di stel terlampau cepat, maka dalam saluran pipa itu akan terjadi suatu kenaikan tekanan karena penghambatan massa secara mendadak itu, yang disebut “pukulan air.” Gerakan jarum nozel dan membeloknya pembelok pancaran terjadi secara otomatis dikendalikan melalui penggerak hidraulis, yang bekerja dengan minyak tekan. TurbinPelton dibangun untuk instalasi tenaga air dengan perbedaan tinggi air yang besar.
1.2 Turbin Reaksi
Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir. Turbin air reaksi dibagi menjadi dua jenis yaitu:
1. Francis, contoh: turbin Francis dan
2. Propeller:
a. Sudu tetap (fixed blade), turbin jenis ml merupakan turbin generasi pertama dan jenis iiu. Karena sudu tidak dapat diatur, maka efisiensinya berkurang jika digunakan pada kisaran debit yang lebar. Oleh karena itu dikembangkan jenis dengan sudu yang dapat diatur agar efisiensi tetap tinggi walaupun kisaran debitnya lebar.
b. Sudu dapat diatur (adjustable blade), contoh Kaplan, Nagler, Bulb, Moody.
2. KARAKTERISTIK TURBIN
Untuk dua turbin atau lebih yang mempanyai dimensi yang berlainan disebut homologous jika kedua turbin atau lebth tersebut sebangun geometri dan mempunyai karakteristik santa. Karakteristik suatu turbin dinyatakan secara umum oleh enam buah konstanta yaitu
1. Rasio Kecepatan (4))
2. Kecepatan Satuan (Nu)
3. Debit Satuan (Qu)
4. Daya Satuan (Pu)
5. Kecepatan Spesifik (Ns)
6. Diameter Spesifik (Ds)
2.1 Rasio Kecepatan (Φ)
Rasio Kecepatan (Φ) adalah perbandingan antara kecepatan keffling limier turbin pada ujung diameter nominalnya dibagi dengan kecepatan teoritis air melalui curat dengan tinggi terjun sama dengan tinggi terjuri (Hnetto) yang bekerja pada turbin.
dengan N adalah putaran turbin rpm (rotasi per menit), D adalah diameter karakteristik turbin (m), umumnya digunakan diameter nominal, H adalah tinggi terjun netto/effektif (m)
2.2 Kecepatan Satuan (Na)
Kecepatan Satuan (Nu) adalah kecepatan putar turbin yang mempunyai diameter (D) satu satuan panjang dan bekerja pada tinggi tejun (Hnetto) satu satuan panjang.
Dan Persamaan diatas diperoleh korelasi:
dengan memasukan nilai D =1 m dan H = 1 m, menjadi
Akhirnya dapat ditulis sebagai :
2.3 Debit Satuan (Qu)
Debit yang masuk turbin secara teoretis dapat diandaikan sebagai debit yang melalui suatu curat dengan tinggi terjun sama dengan tinggi teijun (Hnetto,) yang bekerja pada turbin. Oleh karena itu debit yang melalui turbin dapat dinyatakan sebagai
dengan Cd adalah koefisien debit.
Debit Satuan (Qu) adalah debit turbin yang mempunyai diameter (D) satu satuan panjang dan bekeija pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan panjang.
Akhirnya Pers.(1.5) dapat ditulis sebagai
2.4 Daya Satuan (Pu)
Daya (P) yang dihasilkan turbin dapat dinyatakan sebagai
dengan adalah efisiensi turbm, γ adalah berat jenis air.
Daya Satuan (Pu) adalah daya turbin yang mempunyai diameter (D) satu satuan panjang dan bekerja pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan panjang.
Akhirnya dapat ditulis sebagai
2.5 Kecepatan Spesifik (Ne)
Eliminasi diameter (D) dari persamaan di atas menghasilkan korelasi:
Kecepatan Spesifik (Ns) adalah kecepatan putar turbin yang menghasilkan daya sebesar satu satuan daya pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan panjang.
Kecepatan Spesifik (Ns) dapat dinyatakan dalam sistim metrik maupun sistim Inggris, korelasi dan kedua sistim tersebut dinyatakan dalam
Ns (metrik) = Ns (Inggris) x 4.42
Catatan: Satuan daya yang digunakan dalam rumus di atas adalah daya kuda (DK) atau horse-power (HP).
2.6 Diameter Spesifik (Ds)
Dan Persamaan diperoleh korelasi:
Diameter Spesifik (Ds) adalah diameter turbin yang menghasilkan daya sebesar satu satuan daya pada tinggi terjun satu satuan panjang.
Akhirnya Persamaan dapat dituiis sebagai
Rumus empiris untuk menghitung diameter spesifik dan diameter debit (discharge diameter, D3) untuk turbin reaksi adalah sebagai berikut:
Diameter debit sangat berguna untuk penentuan dimensi pipa spiral dan pipa isap.
3. SELEKSI AWAL JENIS TURBIN
Seleksi awal dan jenis turbin yang cocok untuk suatu keperluan paling tepat dilakukan dengan menggunakan Kecepatan Spesifik (Ns). Dalam Tabel 1.1 disajikan nilai Kecepatan Spesifik (Ns) untuk berbagai jenis turbin. Tabel 1.1 dapat digunakan sebagai panduan awal dalam pemilihan jenis turbin yang tepat untuk nilai Ns tertentu. Nilai Ns yang tercantum dalam Tabel 1.1 bukan nilai yang eksak.
Untuk setiap jenis turbin terdapat suatu nilal kisaran tinggi terjun dan kecepatan spesifik yang sesuai. Korelasi empiris antara tinggi tejun (1-1) dan kecepatan spesifik (Ns) disajikan di bawah ml.
Untuk turbm Francis, Moody2 memperoleh korelasi sebagai berikut:
sedangkan untuk turbm propeller, Moody memperoleh korelasi sebagal berikut:
Untuk turbin Francis, Whit& menyarankan korelasi sebagai berikut:
dengan H adalah tinggi terjun netto (m) dan Ns adalah kecepatan spesifik metrik.
Tabel 1.1. Jenis Turbm Air dan Kisaran Kecepatan Spesifiknya (Ns)
4. EVOLUSI TURBIN
Dalam perkembangannya turbin air mengalanii perubahan sebagai berikut:
1. Mali arus air lewat sudu berubah dan tangensial (turbin Pelton) menjadi radial (turbin Francis), dan akhirnya axial (turbin propeller).
2. Cincin bawah (turbin Francis) makin lama menghilang (turbin propeller).
3. Jumlah sudu makin berkurang (turbin Pelton: banyak sudu = turbin Francis = turbin propeller: minimum 2 s/d 3 sudu.
5. EFFISIENSI TURBIN
Efisiensi turbin tidak tetap nilainya, tergantung dan keadaan beban dan jenis turbinnya. Kinerja dan suatu turbin dapat dinyatakan dalam beberapa keadaan: tinggi teijun malcsimum, tinggi terjun minimum, tinggi teijun normal, dan tinggi teijun rancangan. Pada tinggi terjun rancangan turbin akan memberikan kecepatan terbaiknya sehingga efisiensinya mencapai maksimum. Dalam Tabel 1.2 disajikan efisiensi turbin untuk berbagai kondisi sebagai gambaran mengenai kisaran nilai efisiensi terhadap beban dan jenis turbin.
Tabel 1.2. Efisiensi Turbin Untuk Berbagai Kondisi Beban
5.1 Efisiensi Turbin Homologous
Kadang-kadang dalam merancang turbin diperlukan data efisiensi dan turbin yang sejenis maupun dan studi model. Untu.k dapat membandingkan efisiensi antar turbin, maka turbin tersebut harus homologous. Rumus efisiensi untuk turbin homologous merupakan rumus empiris dan hanya berlaku untuk efisiensi maksimum turbm.
Moody menyarankan rumus efisiensi untuk turbm Francis:
dengan ή adalah efisiensi dan D adalah diameter turbin.
Hutton menyarankan rumus efisiensi untuk turbin propeller dan Kaplan:
6. KORELASI ANTAR TURBIN
Untuk mendapatkan korelasi beberapa turbin, maka setiap turbin tersebut harus homologous satu sama lain. Untuk turbin yang homologous satu sama lain, maka nilai setiap konstanta turbin yang dijelaskan di atas untuk masing-masing turbin adalah sama.
Untuk memudalikan pembahasan selanjutnya, didefinisikan rasio
antara variabel pada Turbin 1 dan Turbin 2 yang homologous sebagai berikut:
Dan diperoleh korelasi antara dua buah turbin homologous sebagai berikut:
Dengan cara serupa diperoleh korelasi yang lain sebagai berikut:
7. KAVITASI
Pada turbin reaksi, letak turbin harus diperhatikan agar tidak teiladi bahaya kavitasi yang teijadi akibat adanya tekanan absolut yang lebth kedil dan tekanan uap air. Kavitasi dapat menyebabkan sudu-sudu turbin menjadi berlubang-lubang kecil, sehingga mengurangi efisiensi turbin yang akhirnya dapat pula merusak sudu hirbin.
Analisis kavitasi pada turbin reaksi akan dijelaskan dengan pertolongan Gambar 1.1. Hukum Bernoulli dikerjakan pada Titik 1 dan Titik 2 sebagai berikut:
Tinggi kecepatan pada Titik 1 berbanding lums dengan tinggi terjun efektif H. Agar tidak terjadi kavitasi maka tinggi tekanan pada Titik 1 harus lebth besar atau sama dengan tinggi tekanan kavitasi. Oleh karena itu, Pers.(1.26) dapat ditulis sebagai:
dengan Hs adak tinggi tekanan isap, H adalah tinggi tekanan kavitasi, Ha adalah tinggi tekanan udara luar, a adalah sigma turbin atau koefisien kavitasi, dan H adalah tinggi terjun netto/efektif.
7.1 Letak Sumbu Distributor Turbin Aman Kavitasi
Jika turbin diletakkan lebih tinggi dan tinggi tekanan isap, maka kavitasi akan terjadi, sehingga letak turbi harus selalu dibawah tinggi tekanan isap (Hs).
Tinggi tekanan isap (Hs) untuk masing-masing jenis turbin adalah berlainan. Untuk turbin Francis, Hs diukur dan paras muka air belakang sampai dengan dasar dan cincin bawah. Untuk turbin propeller, Hs diukur dan paras muka air belakang sampai dengan pusat sudu.
Sebagai langkah awal dalam penentuan elevasi sumbu distributor
untuk turbin dengan sumbu vertikal, dapat dilakukan langkah hitungan
sebagai berikut8:
1. Tentukan kecepatan spesifik dan turbin.
2. Tentukan H,, berdasarkan Gambar 1.2, suhu air dan elevasi PLTA.
3. Hitung Hs. Jika temyata nilal Hs negatif, berarti dasar cincm bawah turbin Francis atau pusat sudu turbin propeller berada dibawah paras muka air belakang.
4. Prakirakan jarak antara sumbu distributor sampai dasar cincin bawah turbin Francis, atau pusat sudu turbin propeller (=A). Rumus empirik yang dapat digunakan untuk keperluan itu adalah
5. Paras muka air belakang diprakirakan berdasarkan kondisi operasi turbin yang mengakibatkan paras muka air belakang minimum.
6. Elevasi sumbu distributor ditentukan berdasarkan paras muka air belakang ditambah A + Hs.
Prakiraan nilai Hb harus seteliti mungkin untuk daerah pegunungan yang tinggi (PLTA dengan tinggi terjun besar), sedangkan untuk daerah dataran rendah dapat digunakan nilai Hb =10 m.
Nilai Hb menurun dengan naiknya elevasi tempat dengan laju rerata 0.11 m tinggi air untuk setiap 100 m kenaikan elevasi tempat. Pada paras muka air laut rerata Hb = 10.3 m. Dengan andaian bahwa fluktuasi tekanan atmosfir berkisar ±5%, maka untuk keperluan praktis dapat digunakan rumus empirik pengganti Langkah 2 di atas sebagai berikut:
dengan E adalah elevasi tempat terhahap paras muka air laut rerata.
8. DEFINISI DIAMETER TURBIN
Dalam pembahasan turbin terdapat beberapa macam istilah diameter yang digunakan.
1. Turbin Pelton.
D1 adalah diameter lingkaran tempat kedudukan pusat berat sudusudu (pitch circle).
2. Turbm Francis.
D1 adalah diameter kincir ditengah-tengah distributor (diameter nominal).
D2 adalah diameter minimum yang diukur disebelah dalam cincin bawah.
D3 adalah diameter sebelah dalam cincin debit (discharge ring).
3. Turbin Propeller.
D1adalah diameter kincir yang diukur dan ujung sudu ke ujung sudu.
D2 adalah diameter kincir yang melalui titik tengah sudu-sudu.
D3 adalah diameter sebelah dalam cincin debit (discharge ring).
JENIS-JENIS DAN GAMBAR BENTUK TURBIN AIR
1. POMPA AIR PERTAMA
Ide meletakkan air dipermukaan paling tinggi kemudian masyarakat tinggal memanen dan menikmati kucuran air tersebut tanpa harus bersusah payah lagi ternyata sudah diterapkan sejak jaman dahulu. Ide ini dikeluarkan oleh seorang tokoh muslim yang bernama Badi Al-Zaman Abullezz Ibn Alrazz Al-Jazari. Atau sering dikenal Al-Jazari. Beliau digelar Al-Jazari untuk mengenang tempat kelahirannya di Al-Jazira, sebuah wilayah yang terletak di antara Tigris dan Efrat, Iraq.
Bermula dari temuan kincir yang berhasil ia ciptakan, inspirasi untuk mengangkat air kepermukaan yang lebih tinggi muncul. Modelnya cukup sederhana. Prinsip dasar aliran air mengalir dari perukaan paling tinggi ke purmukaan yang rendah digunakan sebagai tenaga pengangkat air tersebut. Hanya dengan berbekal gaya gravitasi saluran air untuk tanaman dan keperluan masyarakat bisa tercukupi lebih mudah.
Mesin sesuai desain gambar (peninggalan Al Jazari dengan gambar yang cukup detail), pergerakannya dibangkitkan dari tenaga hewan dan air. Jalannya air sendiri bisa mengalir melalui pipa ketika turbin diputar oleh hewan. Air ini diangkat dari dasar oleh mangkuk-mangkuk yang dibuat seperti tali. Perputaran pada sumbu turbin membuat mangkuk-mangkuk ini bisa berjalan sambil membawa air dan kemudian ditumpahkan pada saluran untuk ditampung ditempat khusus.
Dari tampungan air kemudian dialirkan melalui pipa dan dikeluarkan pada tempat dibagian bawah bak penampung. Pada bak penampung air kedua ini Al Jazari menempatkan kincir dengan dilengkapi mengkuk yang berguna untuk menampung jatuhan air. Air yang jatuh tepat pada mangkuk ini kemudian memutar kincir. Tenaga putaran kincir yang bergerak itu kemudian digunakan kembali untuk memutar turbin putar pertama yang digunakan untuk mengangkat air ke atas. Demikian mudahnya alat ini digunakan membuat hewan tidak harus bekerja keras untuk memutar turbin.
2. ENERGI TIDAL
Energi tidal atau energi pasang surut barangkali kurang begitu dikenal dibandingkan dengan energi samudera yang lain seperti energi ombak (wave energy). Jika dibandingkan dengan energi angin dan surya, energi tidal memiliki sejumlah keunggulan antara lain: memiliki aliran energi yang lebih pasti/mudah diprediksi, lebih hemat ruang dan tidak membutuhkan teknologi konversi yang rumit. Kelemahan energi ini diantaranya adalah membutuhkan alat konversi yang handal yang mampu bertahan dengan kondisi lingkungan laut yang keras yang disebabkan antara lain oleh tingginya tingkat korosi dan kuatnya arus laut.
3. TURBIN CELUP
• Instalasi sipil sederhana
• Instalasi listrik sederhana
• Kebutuhan air sedikit, banyak potensi yang bisa diterapkan
• Maintenance free ( tanpa perawatan khusus)
• Tanpa bahan bakar
• Dengan perangkat tambahan mampu meningkatkan tingkat keawetan, performansi dan kapasitas energi (ampere-jam) seperti sistem kontrol beban, aki (baterry) dengan inverter. Atau menggunakan teknologi lampu LED
DIKUTIP DARI WEBSITE :
• Turbin Air.pdf(SECURED)
• http://moechah.wordpress.com/2009/01/09/turbin-air-i/
• http://www.ccitonline.com
• http://luk.staff.ugm.ac.id/bta/BTA.html
• http://www.hanjuang.co.id/produkp1.html
• http://paijo1965.wordpress.com/2007/03/06/pompa-air-tenaga-gravitasi-2/
• http://www.jfccivilengineer.com/turbines.htm
• http://infoenergi.wordpress.com/2007/03/11/saatnya-indonesia-menggarap-energi-tidal/
• http://agusdd.wordpress.com/2007/09/28/mesin-pompa-air-pertama/
