I. SejarahTurbin Air Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk tenaga industri untuk jaringan listrik. Sekarang lebih umum dipakai untuk generator listrik. Turbin kini dimanfaatkan secara luas dan merupakan sumber energi yang dapat diperbaharukan.
Gambar 1. Turbin dan Generator
Turbin air yang terbanyak digabung dengan generator listrik dan digunakan untuk memperoleh energi listrik. Diketahui ada turbin aksi atau turbin bertekanan sama dan turbin reaksi atau turbin dengan tekanan tinggi I berlebihan. Pada yang pertama sebagian terbesar dari energi air diubah dalam penyemprot atau alat penyalur yang tetap menjadi energi kecepatan (energi kinetis), sehingga air itu mengalir dengan kecepatan yang lebih tinggi terhadap bagian yang berputar dari turbin. Tekanan sebelum dan sesudah roda jalan turbin adalah sama. Pada turbin reaksi atau
bertekanan tinggi airnya mengalir dengan kecepatan yang relatif lebih kecil namun dengan tekanan tinggi ke dalam roda jalan turbin dan meninggalkannya dengan tekanan sisa yang lebih kecil. Kincir air adalah perintis turbin yang sangat tua. Kincir itu memanfaatkan selisih ketinggian alamiah dari permukaan sungai kecil. Air itu men erjang sudu dari sebuah roda kayu yang besar, yang kebanyakan langsung dihubungkan dengan sebuah mesin penggarapan. Jika air mengalir dari atas pada sudu kincir air, maka yang kita hapi adalah sebuah kincir air yang digerakkan dari atas. Jika air menekan sudu di bagian bawah dari kincir air itu (gambar 1), maka kincir itu dinamakan kincir air yang digerakkan dari bawah. 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. RodaPelton 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
Gambar 2. Turbin Air
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.
II.
KLASIFIKASI TURBIN AIR
Dari perumusan Bernouli, menunjukkan bahwa daya air dari suatu aliran mempunyai bentuk energi yang berbeda-beda. Pada proses peralihan keseimbangan energi antara energi masuk ke k e mesin tenaga ten aga disatu pihak dengan energi mekanis me kanis yang dapat diteruskan oleh mesin tenaga ditambah energi yang ikut ke luar bersama-sama air buangan dipihak lain. dari persamaan tersebut, suku sebelah kanan adalah jumlah energi yang dipakai oleh sudu jalan turbin untuk diubah menjadi energi mekanis.
Gambar 3. Kincir Air
Pada gambar di atas adalah gambar kincir air. Kincir air adalah jenis turbin air yang paling kuno, sudah sejak lama digunakan oleh masyarakat. Teknologinya sederhana, material kayu dapat dipakai untuk membuat kincir air, tetapi untuk opersi pada tinggi jatuh air yang besar biasanya kincir air dibuat dengan besi. Kincir air bekerja pada tinggi jatuh j atuh yang rendah biasanya antar 0,1 m sampai 12 meter, mete r, dengan deng an kapasitas aliran yang berkisar antara 0,05 m3/dtk sampai 5 m3/dtk. Dari data tersebut
pemakai kincir air adalah di daerah yang aliran airnya tidak besar dengan tinggi jatuh yang kecil. Putaran poros kincir air berkisar antara 2 rpm sampai 12 rpm. A. Turbin Impuls atau Turbin Tekanan T ekanan Sama A.1. Turbin pelton
Prinsip dari turbin t urbin impuls sudah dijelaskan pada kincir ki ncir air. Turbin impus bekerja dengan prinsip impuls. Turbin jenis ini juga disebut turbin tekanan sama karena aliran air yang ke luar dari nosel, tekanannya tekanann ya adalah sama dengan d engan tekanan atmosfer. Sebagai contoh pada gambar ga mbar 4 adalah turbin pelton pel ton yang bekerja dengan prinsip pri nsip impuls, semua energi tinggi tin ggi dan tekanan ketika keti ka masuk ke sudu jalan turbin turb in dirubah menjadi energi kecepatan. Pancaran air tersebut te rsebut yang akan menjadi gaya tangensial F yang bekerja pada sudu roda jalan.
Gambar 4. Turbin Impuls & proses Penyemprotan
Turbin pelton beroperasi pada tinggi jatuh yang besar [gambar 5]. Tinggi air jatuh dihitung mulai dari permukaan atas sampai tengahtengah pancaran air. Bentuk sudu terbelah menjadi menjad i dua bagian b agian yang simetris, dengan maksud adalah agar dapat d apat membalikan pancaran panca ran air dengan baik dan membebaslan membebasla n sudu dari gaya-gaya samping [gambar 5]. Tidak semua sudu menerima pancaran air, hanya sebagaian jarum katup air tekanan tinggi bagaian saja scara bergantian bergantung posisi sudut tersebut. Jumlah J umlah noselnya bergantung bergantu ng kepada besarnya bes arnya kapasitas air, tiap roda turbin dapat dilengkapi dengan nosel 1 sampai 6. Adapun penampang konstruksi sudu jalan dari pelton beserta noselnya dapat dilihat pada gambar 4 Ukuran-ukuran utama
turbin pelton adalah diameter lingkar sudu yang kena pancaran air, disingkat diameter lingkaran pancar dan diameter pancaran pancar an air. Pengaturan Peng aturan nosel akan menentukan kecepatan dari turbin. tur bin. Untuk U ntuk turbin-turbin turbin -turbin yang bekerja pada kecepatan kecepata n tinggi jumlah nosel diperbanyak Hubungan antara jumlah nosel dengan keceptan sepesifik adalah sebagai berikut. Pengaturan nosel pada turbin poros vertikal dan horizontal dapat dilihat pada gambar 5 dan 6
Gambar 5. Instalasi turbin Pelton Poros Horizontal
Gambar 6. Roda Jalan turbin Pelton
Gambar 7 . Instalasi Turbin Pelton Poros Vertikal
Gambar 8 . Pengaturan Nosel pada turbin pelton
A.2. Turbin aliran ossberger Pada turbin impuls pelton beroperasi pada head relatif tinggi, sehingga pada head yang rendah operasinya op erasinya kurang efektif atau efisiensinya rendah. r endah. Karena Kar ena alasan tersebut, turbin pelton jarang dipakai secara luas untuk pembangkit listrik skala kecil. Sebagai alternatif turbin jenis impuls yang dapat beroperasi pada head rendah adalah turbin impuls aliran ossberger atau turbin crossflow. Pada gambar 9 adalah turbin crossflow, konstruksi turbin ini terdiri dari komponen utama yaitu ; 1. Rumah turbin 2. Alat pengarah 3. Roda jalan 4. Penutup 5. Katup udara 6. Pipa hisap 7. Bagian peralihan Aliran air dilewatkan dilew atkan melalui sudu sudu jalan j alan yang berbentuk silinder, kemudian kemudi an aliran air dari dalam silinder ke luar melului sudu-sudu. Jadi perubahan energi aliran air menjadi energi mekanik putar terjadi dua kali yaitu pada waktu air masuk silinder dan air ke luar silinder. Energi yang diperoleh dari tahap kedua adalah 20%nya dari tahap pertama.
Gambar 9. Konstruksi Impuls osseberger
Gambar 10. Aliran Masuk turbin turbin osseberger
Air yang masuk sudu diarahkan oleh alat pengarah yang sekaligus berfungsi sebagai nosel seperti pada turbin pelton. Prinsip perubahan energi adalah sama dengan turbin impuls pelton yaitu energi kinetik dari pengarah dikenakan pada pad a sudu-sudu pada tekanan yang sama. B. Turbin Reaksi atau Turbin Tekan Lebih B.1. Turbin Francis
Turbin francis adalah termasuk turbin jenis ini [gambar 11]. Konstruksi turbin turb in terdiri dari dari sudu s udu pengarah dan sudu jalan, dan d an kedua sudu tersebut, semuanya terendam di dalam aliran air. Air pertama masuk pada terusan berbentuk rumah keong. Perubahan energi seluruhnya terjadi pada sudu pengarah dan sudu gerak. Aliran air masuk ke sudu pengarah dengan kecepatan semakin naik degan tekanan yang semakin turun sampai s ampai roda jalan, pada roda jalan kecapatan akan naik lagi dan tekanan turun sampai di bawah 1 atm. Untuk menghindari kavitasi, tekanan harus dinaikan sampai 1 atm dengan cara pemasangan pipa hisap. Pengaturan daya da ya yang dihasilkan yaitu dengan mengatur men gatur posisi pembukaan sudu pengarah, sehingga kapasitas air yang masuk ke roda turbin dapat diperbesar atau
diperkecil. Turbin francis fran cis dapat dipasang di pasang dengan poros vertikal dan horizontal [gambar 12]
Gambar 11 . Instalasi Turbin francis
Gambar 12 . Instalasi Turbin francis
B.2. Turbin Kaplan Tidak berbeda dengan turbin tur bin francis, turbin kaplan cara kerjanya kerjan ya menggunakan prinsip reaksi. Turbin Turbi n ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan baling-baling baling-balin g 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 menghasi lkan torsi pada poros turbin. Berbeda dengan roda jalan pada francis, sudu-sudu pada roda jalan kaplan dapat diputar posisinya untuk menyesuaikan kondisi beban turbin [gambar 13]. 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 pe nuh turbin kaplan mempunyai efisiensi paling pal ing tinggi, hal ini dikarenakan sudu-sudu sudu -sudu turbin kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban yang ada
Gambar 12 Turbin Kaplan dengan sudu jalan yang dapat diatur
