Turbin Air ( Tinjauan Pustaka)

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengertian turbin

Mesin turbo adalah suatu piranti yang memberi atau mengambil tenaga dari fluida. Kalau memberikan tenaga disebut dengan turbin, sedangkan jika sebaliknya disebut dengan pompa. Turbin merupakan suatu mesin turbo yang mengkonversikan energi fludia (potensial/kinetik) menjadi energi mekanik untuk menggerakkan menggerakkan poros pada generator yang menghasilkan energi listrik.

Gambar 2.1 Skema Turbin sederhana

2.2 Jenis-jenis turbin secara umum 2.2.1 Turbin uap

Turbin uap merupakan suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial uap menjadi energi kinetik dan energi kinetik ini selanjutnya diubah menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin. Poros turbin, lansung atau dengan bantuan roda gigi reduksi, dihubungkan dengan mekanisme yang akan digerakkan. Tergantung pada jenis mekanisme yang digunakan, turbin uap dapat digunakan pada berbagai bidang seperti pada bidang industri, untuk pembangkit tenaga listrik dan untuk transportasi. Pada perkembangannya, turbin uap ini mampu menggantikan peranan dari kerja mesin uap piston torak. Hal ini disebabkan karena turbin uap memiliki

kelebihan

berupa

efisiensi

termal

yang

besar

dan

perbandingan berat dengan daya yang dihasilkan yang cukup tinggi. Pada prosesnya turbin uap menghasilkan gerakan rotasi, sehingga hal ini sangat cocok digunakan untuk menggerakkan generator listrik. Pada

Trusted by over 1 million members

Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.











Universitas Andalas

saat ini, sudah hampir 80% pembangkit listrik diseluruh dunia telah menggunakan menggunakan turbin uap.

Gambar 2.2 Turbin uap 2.2.2 Turbin gas

Turbin gas adalah sebuah mesin panas pembakaran dalam, proses kerjanya seperti motor bakar yaitu udara atmosfer dihisap masuk kompresor dan dikompresi, kemudian udara mampat masuk ruang bakar dan dipakai untuk proses pembakaran, sehingga diperoleh suatu energi panas yang besar, energi panas tersebut diekspansikan pada turbin dan menghasilkan energi mekanik pada poros, sisa gas pembakaran yang keluar turbin menjadi energi dorong (turbin gas pesawat terbang). Jadi, jelas bahwa turbin gas adalah mesin yang bisa mengubah energi panas menjadi energi mekanik atau dorong.

Gambar 2.3 Turbin gas











Universitas Andalas

2.2.3 Turbin angin

Turbin angin adalah kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan tenaga

listrik.

Turbin

angin

ini

pada

awalnya

dibuat

untuk

mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, dll. Turbin angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda, dan negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan Windmill. Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat, dengan menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin. Walaupun sampai saat ini pembangunan pembangunan turbin angin masih belum

dapat

menyaingi

pembangkit

listrik

konvensonal(Co:

PLTD,PLTU,dll), turbin angin masih lebih dikembangkan oleh para ilmuwan karena dalam waktu dekat manusia akan dihadapkan dengan masalah kekurangan sumber daya alam tak terbaharui(Co : batubara, minyak bumi) sebagai bahan dasar untuk membangkitkan listrik.

Gambar 2.4 Turbin angin











Universitas Andalas

2.3 Turbin air 2.3.1 Klasifikasi turbin air

Air yang mengalir mempunyai energi sehingga dapat digunakan untuk memutar roda turbin. Turbin air merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk mengubah energi hidro yang dimiliki air menjadi energi listrik. Ada banyak keuntungan yang diberikan dalam penggunaan turbin air, diantaranya memiliki efisien yang tinggi, fleksibel dalam operasionalnya, mudah dalam perawatan dan tidak menghasilkan polutan yang dapat merusak atmosfer. Turbin air berperan untuk mengubah energi air (energi potensial, tekanan dan energi kinetik) menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Putaran poros turbin ini akan diubah oleh generator menjadi tenaga listrik. Berdasarkan prinsip kerjanya , turbin air dibagi menjadi m enjadi dua kelompok: 1. Turbin Impuls 2. Turbin Reaksi 2.3.2 Turbin Aksi (Impuls)

Pada turbin ini proses ekspansi fluida (penurunan tekanan fluida) hanya terjadi pada sudu-sudu tetap, contohnya turbin pelton, turbin turgo, turbin crossflow, turbin screw. Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozle. Air keluar nozle yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nozel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan.











Universitas Andalas

2.3.2.1 Turbin Pelton

Turbin pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang yang disebut disebut nosel. Turbin Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi. Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian bagian yang yang simetris. simetris.

Sudu

dibentuk sedemikian sehingga sehingga pancaran pancaran air akan akan mengenai mengenai tengahtengah sudu dan pancaran air tersebut akan berbelok ke kedua arah sehinga

bisa

membalikkan

pancaran

air

dengan

baik

dan

membebaskan sudu dari gaya-gaya samping. Untuk turbin dengan daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi lewat beberapa nosel. Dengan demikian diameter pancaran air bisa diperkecil dan ember sudu lebih kecil.

Gambar 2.5 Turbin Pelton dengan nozle

Turbin Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150 meter tetapi untuk skala mikro head 20 meter sudah mencukupi. Untuk turbin Pelton dengan daya kecil, debit bisa diatur hanya











Universitas Andalas

pengaturan nosel. Hal ini dimaksdukan untuk menghindari menghindari terjadinya tekanan tumbukan yang besar dalam pipa pesat yang timbul akibat penumpukan nosel secara tiba-tiba saat beban dari turbin berkurang secara tiba-tiba pula. Jumlah nosel tergantung pada bilangan spesifik n q dari turbin Pelton,

dapat dirumuskan sebagai berikut : nq  n 

Q H

0, 5 0 , 75

dimana : n = putaran poros turbin (rpm) 3

Q = debit aliran (m /s) H = besar head total (m)

Gambar 2.6 Harga standar untuk perencanaan turbin Pelton

Roda jalan pada turbin berbentuk pelek (rim) dengan sejumlah sudu disekelilingnya. Pelek ini dihubungkan dengan poros dan seterusnya seterusnya

akan menggerakan generator. Sudu turbin Pelton













Universitas Andalas

sedemikian rupa dimaksdukan agar putaran air dapat membalik dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya samping. Prinsip Kerja Turbin Pelton

Air jet kecepatan tinggi muncul bentuk nozel mogok ember di splitter, ditempatkan di tengah-tengah ember, dari mana jet dibagi menjadi dua aliran yang sama. Aliran sungai ini sepanjang kurva bagian dalam ember dan biarkan berlawanan arah dengan yang jet masuk. Jet air yang tinggi kecepatan menjalankan roda Turbin Pelton diperoleh dengan memperluas air tekanan tinggi melalui nozel ke tekanan atmosfer. Air bertekanan tinggi dapat diperoleh dari badan air yang terletak di ketinggian beberapa atau aliran air yang mengalir mengalir menuruni bukit. Perubahan momentum (arah serta kecepatan) aliran air menghasilkan impuls pada bilah roda Pelton Turbine. impuls ini menghasilkan torsi dan rotasi di batang Turbin Pelton. Untuk mendapatkan hasil optimal dari Turbin Pelton impuls yang diterima oleh pisau harus maksimal. Untuk itu, perubahan momentum aliran air harus maksimal. Yang diperoleh ketika aliran air dibelokkan berlawanan arah yang menyentuh ember dan dengan kecepatan yang sama relative terhadap ember. 2.3.2.2 Turbin Turgo

Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti











Universitas Andalas

Gambar 2.7 Sudu turbin Turgo dan nozle

2.3.2.3 Turbin Crossflow

Salah satu jenis turbin impuls ini juga dikenal dengan nama 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 3

litres/sec hingga 10 m /sec dan head antara 1 s/d 200 m.











Universitas Andalas

kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel. 2.3.2.4 Turbin Screw

Adapun prinsip kerja dari turbin ini dimana tekanan dari air yang melalui bilah-bilah sudu turbin mengalami penurunan tekanan sejalan dengan penurunan kecepatan air akibat adanya hambatan dari bilah – bilah – bilah bilah sudu turbin maka tekanan ini akan memutar turbin dan mengerakan generator listrik setelah sebelumnya daya putaran poros ditransmisikan melalui gearbox . Adapun keuntungan turbin screw dibandingkan dengan jenis turbin lain adalah adalah : 

Biaya konstruksinya yang efisien.



Konstruksi bendungan dan pintu air yang sederhana.



Tidak menganggu ekosistem ikan.



Umur turbin lebih tahan lama jika dioperasikan dengan putaran rendah.



Mudah untuk melakukan perawatan dan inspeksi pada turbin.



Tidak membutuhkan draft tube, sehingga dapat mengurangi pengeluaran untuk penggalian pemasangan pemasangan draft tube.



Penggunaan unit peralatan standar dan generator standar dengan biaya yang rendah.











Universitas Andalas

Gambar 2.9 Turbin Screw 2.3.3 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. Runner turbin reaksi sepenuhnya sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin.

2.3.3.1 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 bagian keluar. Turbin Francis menggunakan menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air masuk secara tangensial. Sudu pengarah pad turbin Francis dapat merupakan











Universitas Andalas

Gambar 2.10 Turbin Francis

Efisiensi dari turbin Francis Energi potensial dari air tidak seluruhnya dapat dikonversikan menjadi energi mekanik poros turbin. Hal ini dikarenakan adanya kerugian energi seperti : 1.

Kerugian energi akibat gesekan antara air dengan dinding saluran penghantar.

2.

Kerugian energi akibat gesekan antara air dengan permukaan sudu-sudu roda jalan.

3.

Kerugian energi akibat kebocoran dan gesekan poros turbin dengan dengan bantalan.

1. Daya Teoritis Turbin Francis

Lth =

  Q  H d

75  60

Dimana :





0,222  Q  H d

= berat jenis air = 998 kg/m

3













Universitas Andalas

3. Efisiensi Turbin Francis  

Ln Lth

2.3.3.2 Turbin Kaplan

Turbin Kaplan dan propeller merupakan turbin rekasi aliran aksial. Turbin ini tersusun dari propeller seperti pada perahu.. Propeller tersebut biasanya mempunyai tiga hingga enam sudu.

Gambar 2.11 Turbin Kaplan

Masing-masing jenis turbin memiliki karekteristik yang berbeda











Universitas Andalas

Jenis Turbin

Putaran Nominal, N (rpm)

Semi Kaplan, single regulated

75-100

Kaplan, double regulated

75-150

Small-medium Kaplan

250-700

Francis (medium & high head)

500-1500

Francis (low head)

250-500

Pelton

500-1500

Crossflow

100-1000

Turgo

600-1000

Tabel 2.3 Effisiensi Turbin Jenis Turbin

Effisiensi / η

Kaplan dan Propeller

80% - 90%

Francis

80% - 90%

Pelton

80% - 85%











Universitas Andalas

Gambar 2.12 Turbin Propeller 2.3.4 Segitiga kecepatan 2.3.4.1 Turbin Aksi











Universitas Andalas

U1 = Kecepatan tangensial di sudu W1 = Kecepatan absolut fluida C1 = kecepatan relatif fluida U2 = Kecepatan tangensial meninggalkan sudu W2 = Kecepatan absolut fluida meninggalkan sudu C2 = kecepatan relatif fluida meninggalkan sudu θ = sudut nosel φ = sudut masuk sudu δ = sudut keluar sudu γ = sudut keluar fluida 2.3.4.2 Turbin Reaksi











Universitas Andalas

Pusat pembangkit listri konversional mencakup - Pusat Listrik Listrik Tenaga Uap (PLTU) - Pusat Listrik Listrik Tenaga Air (PLTA - Pusat Listrik Listrik Tenga Gas (Gas) - Pusat Listrik Listrik Tenga Diesel (PLTD) Disamping pembangkit listrik konversional masih ada pembangkit listrik non konversional seperti : - Pembang Listrik Tenaga Angin - Pembangkit Listrik Tenaga Matahari Sebagai contoh pembangkit listrik tenaga air : Pembangkit listrik tenaga air (PLTA) merupakan salah satu pembangkit listrik yang menggunakan energi terbarukan berupa air. Salah satu keunggulan dari pembangkit ini adalah responnya yang cepat sehingga sangat sesuai untuk kondisi beban puncak maupun saat terjadi gangguan di jaringan. Selain kapasitas daya keluarannya yang paling besar diantara energi terbarukan lainnya, pembangkit listrik













Universitas Andalas

Jumlah daya listrik yang dapat dibangkitkan pada suatu pusat pembangkit listrik tenaga air tergantung pada ketinggian ( h) dimana air jatuh dan laju aliran airnya. Ketinggian ( h) menentukan besarnya energi potensial (EP) pada pusat pembangkit (EP = m x g x h). Laju aliran air adalah volume dari air (m3) yang melalui penampang kanal air per detiknya ( q m3/s). Daya teoritis kasar (P kW) yang tersedia dapat ditulis sebagai:

Daya yang tersedia ini kemudian akan diubah menggunakan turbin air menjadi daya mekanik. Karena turbin dan peralatan elektro-mekanis











Universitas Andalas

2.4 Kriteria pemilihan turbin

Pemilihan jenis turbin dapat ditentukan berdasarkan kelebihan dan kekurangan dari jenis-jenis turbin, khususnya untuk suatu desain yang sangat spesifik. Pada tahap awal, pemilihan jenis turbin dapat diperhitungkan dengan mempertimbangkan parameter-parameter khusus yang mempengaruhi sistem operasi turbin, yaitu : 1. Faktor tinggi jatuhan air efektif (Net Head) dan debit yang akan dimanfaatkan untuk operasi turbin merupakan faktor utama yang mempengaruhi pemilihan jenis turbin, sebagai contoh : turbin pelton efektif untuk operasi pada head tinggi, sementara turbin propeller











Universitas Andalas

Gambar 2.16 Kurva pemilihan turbin











Universitas Andalas

kondisi tempat membutuhkan pemasangan turbin dengan tinggi khusus dan berdasarkan alas an untuk menghindari kavitasi sehingga dengan demikian harus dipilih kecepatan spesifik yang kecil. 2.6 Fenomena pada turbin 2.6.1 Kavitasi

Suatu cairan cairan akan akan mendidih mendidih pada temperatur dimana tekanannya sekitarnya sama dengan tekanan uap air. Akibat dari mendidih mendidih tersebut akan terbantuk terbantuk kantong kantong uap ( hal ini berbeda / tidak terjadi pada pada sebahagian besar atau keseluruhan cairan fluida fluida tersebut mendidih ).











Universitas Andalas



Timbulnya getaran

Dalam turbin air kavitasi terjadi terutama dibagian sudu rotor yang menghisap air ( runner ) dan pipa lepas ( draf tube ). 2.6.1 Run Away Speed

Kecepatan liar yaitu suatu kecepatan yang terjadi akibat pada waktu turbin bekerja dimana tiba-tiba bebannya dihentikan dengan tiba-tiba. Dalam hal tersebut timbul gejala bahwa roda turbin akan berputar dengan sangat cepat, apabila karena suatu hal governor tidak bekerja dengan baik atau dalam keadaaan rusak. Kekuatan turbin harus diperhitungkan terhadap kecepatan liarnya untuk













Universitas Andalas











Universitas Andalas

2.7 Teori dasar alat ukur 

Tachometer

Tachometer merupakan

alat ukur yang yang digunakan untuk mengukur

kecepatan putarandengan menggunakan sensor mekanik ataupun infra merah. Apabila menggunakan menggunakan sensor infra merah, sinar dari infra merah tadi diarahkan ke











Universitas Andalas

Turbin Air ( Tinjauan Pustaka)

Recommend Documents