II-4

BAB II

LANDASAN TEORI

1.1 Turbin Air

Turbin air adalah turbin dengan media kerja air. Secara umum, turbin adalah

alat mekanik yang terdiri dari poros dan sudu-sudu. Sudu tetap atau stationary

blade, tidak ikut berputar berputar bersama poros, berfungsi mengarahkan aliran

fluida. Sedangkan sudu putar atau rotary blade, mengubah arah dan kecepatan

aliran fluida sehingga timbul gaya yang memutar poros. Air biasanya dianggap

sebagai fluida yang tak kompresibel, yaitu fluida yang secara virtual massa jenisnya

tidak berubah dengan tekanan.

Teori turbin air bertujuan terutama untuk mendapatkan unjuk kerja optimum

dalam pemanfaatan energi air pada suatu kondisi operasi tertentu. Formula yang

digunakan kebanyakan diperoleh secara empiris, berdasarkan pengalaman,

eksperimen atau analisis dimensi.

Dasar kerja turbin air sangat sederhana yaitu mengubah energi kinetik

menjadi energi mekanik yang diketemukan sebelum dimulainya tahun masehi.

Teknologi ini merupakan perkembangan dari kincir air. Perbedaan utamanya antara

kincir air dan turbin air adalah bahwa kincir air hanya mengubah kecepatan aliran,

sedangkan turbin air mengubah arah dan kecepatan aliran.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-5

Gambar 2.1. Instalasi turbin air

Pada umumnya turbin air terdiri dari (1) dam (bendungan), (2) pipa pesat,

(3) runner (roda jalan), dan (4) generator, seperti yang ditunjukan pada gambar 2.1.

Penggunaan turbin air kebanyakan untuk pembangkit tenaga sebagai

penggerak generator seperti pada PLTA ( Pembangkit Listrik Tenaga Air ), karena

mempunyai karakteristik yang cukup memenuhi persyaratan sebagai pembangkit

tenaga modern. Persyaratan yang dimaksud adalah:

1. Efisiensi yang baik dan tidak banyak berubah untuk beban yang

bervariasi

2. Putaran yang cukup tinggi, sehingga dapat dikopel langsung dengan

generator

3. Dapat dikonstruksikan dengan poros horizontal atau vertical

4. Dapat memanfaatkan beda ketinggian permukaan air yang sangat

bervariasi dan kapasitas aliran dari yang sangat kecil sampai dengan

yang sangat besar.

Pada PLTA, tinggi rendahnya putaran sangat berpengaruh terhadap ukuran

turbin maupun generatornya dan secara tidak langsung berpengaruh juga terhadap

harga dan biaya instalasi.[1]

4 1

2 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-6

1.1.1 Klasifikasi Turbin Air

Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, namun yang

paling utama adalah klasifikasi turbin air berdasarkan cara turbin air tersebut

merubah energi potensial menjadi energi mekanik. Berdasarkan klasifikasi ini,

maka turbin air dibagi menjadi dua yaitu:

1. Turbin impuls

2. Turbin reaksi

1.1.1.1 Turbin Impuls

Ciri utama dari turbin jenis impuls adalah tekanan jatuh hanya terjadi pada

sudu tetap dan tidak terjadi pada sudu berputar. Pada turbin air jenis impuls,

misalkan turbin Pelton, air tidak memenuhi saluran. Oleh karena itu persamaan

kontinuitas tidak dapat diterapkan. Energi fluida masuk sudu gerak, dalam bentuk

energi kinetik pancaran air yang dihasilkan oleh nosel. Pada bucket, energi air

diubah menjadi energi mekanis putaran poros dan sebagian hilang antara lain

karena perubahan arah aliran, gesekan serta sisa kecepatan yang keluar bucket dan

tidak dapat dimanfaatkan.

Turbin impuls atau turbin aksi disebut turbin tak bertekanan karena sudu

gerak beroperasi pada tekanan atmosfer. Banyak turbin air jenis impuls yang pernah

dibuat, namun yang masih banyak ditemukan pada saat sekarang adalah turbin

Pelton dengan bentuk bucket yang terbelah ditengah seperti pada gambar 2.2. Posisi

poros dapat dibuat tegak (vertikal) atau mendatar (horisontal). Selain itu ada juga

jenis turbin Banki.

Turbin impuls sesuai untuk pemanfaatan sumber air yang memiliki

ketinggian permukaan yang besar, tetapi dengan debit yang kecil. Menurut sumber

beda ketinggian yang paling sesuai berkisar diantara 350 meter sampai maksimum

beda ketinggian yang ada, sekiar 1800 meter. Tetapi secara teoritis mampu untuk

beda ketinggian yang lebih besar lagi.[1]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-7

Gambar 2.2 Turbin Pelton[1]

Turbin Flow Through atau turbin Banki biasanya digunakan untuk

pembangkit yang menghasilkan kapasitas daya yang relatif kecil. Sedangkan turbin

Pelton biasanya digunakan untuk pembangkit yang menghasilkan daya relatif besar.

Jumlah nozel biasanya berjumlah 1 atau lebih dari 1 nozel dan posisi porosnya dapat

tegak atau mendatar.

Turbin Banki dapat dikategorikan sebagai peralihan dari kincir air jenis

impuls. Turbin Banki dengan roda aliran radial bertekanan atmosfer, menghasilkan

daya dari energi kinetik pancaran air. Putaran karakteristik dari turbin jenis ini

berada di antara turbin air tangensial jenis Pelton dan turbin Francis aliran

campuran. Seperti turbin air pada umumnya, turbin Banki terdiri dari dua bagian,

yaitu nosel dan runner.

1.1.1.2 Turbin Reaksi

Ciri turbin reaksi pada semua jenis turbin baik turbin uap, turbin gas,

maupun turbin air adalah bahwa sebagian dan tekanan jatuh terjadi pada sudu tetap

dan sebagian lagi pada sudu berputar. Persamaan kontinuitas dapat digunakan pada

perhitungan aliran melalui sudu berputar, karena seluruh fluida kerja memenuhi

seluruh saluran sudu. Karena fluida masuk sudu berputar melalui seluruh tepi seksi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-8

masuk, maka untuk daya dan putaran yang sama, diameter nominalnya relatif lebih

kecil dibandingkan dengan turbin impuls.

Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya

dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir. Hampir

semua dari jenis turbin ini beroperasi didalam air, oleh karena itu pada bagian

masuk dan keluar turbin mempunyai tekanan yang lebih besar dari tekanan udara

luar.

Arah aliran masuk runner dapat diatur oleh sudu pengatur dan disebut juga

sebagai sudu pengarah atau stationary blade untuk memperoleh arah yang sebaik-

baiknya untuk menghasilkan efisiensi yang maksimal.

Contoh turbin reaksi adalah turbin Francis, turbin Propeller, dan turbin

Kaplan.

Turbin Francis mengalami perkembangan dari bentuk semula yang berupa

turbin aliran radial masuk yang murni. Tepi seksi masuk dan seksi keluar sejajar

sumbu rotasi. Turbin ini mempunyai kelemahan bahwa diameter dalam terlalu

besar. Turbin Francis yang dimodifikasi dan masih bertahan sampai saat sekarang

adalah turbin Francis dikenal ada tiga jenis yaitu turbin putaran rendah ( beda

ketinggian antara 280 sampai 400 meter), turbin putaran sedang ( beda ketinggian

antara 100 sampai 280 meter), dan turbin dengan putaran tinggi ( beda ketinggian

antara 35 sampai 100 meter).[1]

Turbin Propeller yang sesuai untuk beda ketinggian rendah ( dibawah 35

meter), mempunyai sudu gerak yang dapat berjumlah 3, 4, 5, 6, atau 8. Sudu gerak

ini sering disebut wing, fin, propeller atau rotary blade. Turbin propeller

sebenarnya sama dengan turbin Kaplan, hanya ada sedikit perbedaan, yaitu bahwa

turbin Propeller mempunyai wing yang tetap sedangkan turbin Kaplan mempunyai

wing yang dapat diatur. Pengaruh dari wing yang dapat diatur posisinya ini adalah

bahwa turbin Kaplan mempunyai efisiensi yang tidak banyak berubah pada beban

parsial. Namun tentu saja lebih mahal harganya.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-9

Pada umumnya turbin reaksi mempunyai efisiensi yang lebih tinggi

dibandingkan dengan turbin impuls. Tetapi bila ukuran turbin terlalu kecil (<

0,5m) maka turbin impuls menjadi yang lebih baik efisiensinya. Hal ini disebabkan

karena kebocoran relatif yang menjadi besar dan juga kerugian gesek pada saluran

yang kecil akan meningkat.

1.2 Kriteria Pemilihan Jenis Turbin

Pemilihan tipe turbin air yang akan digunakan sesuai dengan kebutuhan

yang kita inginkan, tentu saja tipe turbin air tersebut memiliki kelebihan dan

kekurangan. Berikut ini adalah beberapa faktor yang mempengaruhi bentuk atau

tipe turbin air:

1. Head ( H ) atau ketinggian permukaan air

2. Debit ( Q ) atau kapasitas air

3. Kecepatan putaran ( n )

4. Kecepatan spesifik ( nq )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-10

Gambar 2.3 Hubungan antara D1 dan b1 pada

perencanaan luas penampang

1.2.1 Head ( H )

Dari suatu tinggi air jatuh ⁄ bisa diperoleh daya

spesifik yang dihasilkan turbin, bisa dengan harga yang kecil dan yang besar

atau sebaliknya. Tetapi tergantung pada diameter D1 (gambar 2.3)

dan kecepatan putar roda turbin n .

Tabel 2-1 Pengaruh head terhadap jenis turbin

Turbin Prinsip Runner

Tekanan Head

Tinggi Sedang Rendah

Impuls Pelton Turgo Crossflow Turgo Crossflow

Pelton Multi Jet Pelton Multi Jet

Reaksi

Francis pump as turbin (PAT) Propeller

Kaplan

1.2.2 Debit ( Q )

Luas penampang saluran A1 tergantung kepada kapasitas aliran air. Dari

persamaan kontinuitas ⁄ , dimana pada roda turbin .

Jadi disini ada hubungannya dengan diameter roda turbin, yang berarti ada juga

pengaruhnya terhadap besarnya u1. Dengan pemilihan lebar b berarti diameter roda

D tertentu dan dengan demikian bentuk roda turbin juga tertentu.

1.2.3 Kecepatan Putaran ( n )

Dalam pemilihan kecepatan putaran sedapatnya ditentukan setinggi

mungkin, karena dengan kecepatan putar yang tinggi akan didapat momen punter

yang kecil, poros yang kecil, dan diameter roda turbin yang kecil serta ukuran-

ukuran bagian mesin yang lainnya kecil.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-11

1.2.4 Kecepatan Spesifik ( nq )

Kecepatan spesifik nq dipakai sebagai tanda batasan untuk membedakan tipe

roda turbin dan dipakai ssebagai suatu besaran yang penting dalam merencanalan

turbin air dapat dilihat pada gambar 2.4.

√

√

√

⁄

n: Kecepatan putar (jumlah putaran /menit) turbin yang ditentukan (1/menit)

V : Kapasitas air (m3/s)

H : Tinggi jatuh air (m)

Gambar 2.4 Daerah penggunaan jenis turbin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-12

Gambar 2.5 Harga perkiraan untuk menentukan ukuran

utama turbin Kaplan

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-13

Tabel 2-2 Jenis turbin

Jenis Turbin kecepatan spesifik, ns (rpm)

Efisiensi, ɳT (%) Tinggi air jatuh, H (m)

Impuls (pelton) 2 – 45 85 – 90 2000 - 100

Francis 45 – 100 90 – 94 100 - 18

Propeller 100 – 300 94 – 85 180 - 20

1.3 Daya Turbin

Dari kapasitas air Q dan tinggi air jatuh H dapat diperoleh daya yang

dihasilkan turbin

Dimana :

P: daya (watt)

ρ : massa jenis air ( kg/m3, ρair = 1000 kg/m3)

g : gravitasi (m/detik2)

H: ketinggian air (m)

Q : kapasitas air/ debit ( m3/detik)

Bila massa aliran ( m ) dan tinggi air jatuh telah diketahui, maka daya yang

dihasilkan

Dimana :

m : massa aliran

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-14

1.4 Kapasitas aliran

Kapasitas air yang mengalir merupakan pengaruh dari luas penampang dan

kecepatan aliran. Dengan diketahui luas penampang saluran A dan kecepatan aliran

c, maka kapasitas air yang mengalir Q adalah

1.5 Turbin Kaplan

Pada 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.

Gambar 2.6 Instalasi turbin Kaplan

Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan baling-baling pesawat

terbang. Bila baling-baling pesawat terbang berfungsi untuk menghasilkan gaya

dorong, roda jalan pada Kaplan berfungsi untuk mendapatkan gaya F yaitu gaya

putar yang dapat menghasilkan torsi pada poros turbin. Berbeda dengan roda

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-15

jalan pada turbin Francis, sudu-sudu pada roda jalan Kaplan dapat diputar

posisinya untuk menyesuaikan kondisi beban turbin.

Turbin Kaplan banyak dipakai pada instalasi pembangkit listrik tenaga air

sungai, karena turbin ini mempunyai kelebihan dapat menyesuaikan head yang

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 beban tidak penuh turbin Kaplan mempunyai efisiensi paling

tinggi, hal ini dikarenakan sudu-sudu turbin Kaplan dapat diatur menyesuaikan

dengan beban yang ada.

Biasanya turbin Kaplan beroperasi pada head yang rendah dengan debit air

yang tinggi atau bahkan beroperasi pada debit air yang sangat rendah. Hal

ini karena sudu-sudu turbin Kaplan dapat diatur secara manual atau otomatis untuk

merespon perubahan debit air. Berkebalikan dengan turbin Kaplan, turbin Pelton

adalah turbin yang beroperasi dengan head tinggi dengan debit air yang rendah.

Untuk turbin Francis mempunyai karakteritik yang berbeda dengan lainnya

yaitu turbin Francis dapat beroperasi pada head yang rendah atau beroperasi pada

head yang tinggi.

1.5.1 Konstruksi runner turbin Kaplan

Dalam merancang sebuah runner turbin Kaplan ada beberapa bagian yang

harus di ketahui nilainya, seperti diameter hub, lebar poros dan lebar blade.

Kecepatan aliran

Kecepatan aliran yang dimaksud adalah kecepatan aliran air yang mengalir

dan membentur pada blade sehingga menghasilkan putaran. Karena turbin air

mengubah energi kinetik menjadi energi mekanik maka dalam perhitungan

kecepatan aliran menggunakan rumus

√

Dimana :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-16

V: kecepatan aliran air (m/s2)

g: gravitasi (m/s2) (9,81m/s2)

H: head (m)

Diameter keseluruhan (D1)

Setelah mendapatkan kecepatan maka hasilnya dikalikan dengan U1* yang

didapat dari grafik untuk mendapatkan nilai dari diameter keseluruhan (D1).

C

Dimana :

Diameter Leher poros (DN)

Dimana:

U1*, UN

*, cm*pengarah didapat dari grafik hasil dari perhitungan kecepatan

spesifik pada gambar 2.5.

Dari ketentuan dimensi maka kecepatan meridian c2m=c2 pada bagian keluar

roda jalan sama dengan kecepatan masuk ke pipa isap.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-17

⁄

(

) ⁄

Segitiga kecepatan didapat dari:

( )

Dengan cu2 = 0 karena c2 adalah pengeluran yang tegak lurus maka didapat

kecepatan absolut.

Kecepatan absolut

Dimana: ( )

Dengan demikian bagan segitiga kecepatan bagian tengah sudu bisa

digambar.

Kemudian menentukan kecepatan absolut pada leher poros menggunakan

rumus yang sama dimana:

Dengan demikian bagan segitiga kecepatan bagian leher poros bisa

digambar.

Kemudian menentukan kecepatan absolut pada bagian luar dimana:

Dengan demikian bagan segitiga kecepatan bagian luar bias digambar.

Kemudian menghitung pembagian tinggi jatuh pada bagian tengah roda

jalan

Tinggi air jatuh pada sudu pengarah:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-18

⁄

Tinggi air jatuh pada roda jalan:

(

) ⁄

Didalam pipa isap:

Jumlah seluruhnya adalah

Kemudian menghitung gaya tangensial T dan gaya aksial S

( )

Dimana :

Harga D dalam hal ini diambil dari harga DM

( )

B adalah jumlah keseluruhan lebar sudu yang didapat dari

cm = c2 adalah kecepatan air melalui seluruh penampang.

Perhitungan pembanding:

Daya yg dihasilkan

Dimana:

Gaya geser aksial

( ⁄ ) (

)