4

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Pengertian Turbin Air

Turbin air pada dasarnya mengubah energi potensial fluida menjadi

mekanik, semakin tinggi jatuh air (head) maka semakin besar energy potensial yang

di hasilkan untuk menjadi energy listrik. , tinggi jatuh air juga bisa di buat dengan

cara membendung aliran air sehingga jatuh air dapat maksimal. Pada turbin tidak

terdapat bagian mesin yang bergerak translasi. Bagian turbin yang berputar

dinamakan rotor atau roda turbin. Sedangkan yang tidak bergerak adalah rumah

stator atau rumah turbin. Roda turbin terdapat didalam rumah turbin dan roda turbin

memutar poros daya yang menggerakan atau memutar beban baling-baling,

generator, dan lain – lain.

Adapun perbandingan karakteristik turbin dapat kita lihat pada grafik tinggi

jatuh efektif (m) di banding dengan debit (m3/s) di bawah ini :

Gambar 2.1 Grafik hubungan antara head (m) dengan flow rate (m3/s)

5

Pada gambar 2.1 di jelaskan bahwa turbin Kaplan beroprasi pada head yang

sangat rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi atau bisa beroperasi pada

kapasitas yang rendah. Kenapa hal ini terjadi karena sudu-sudu tubin Kaplan bisa

di atur dengan cara manual ataupun otomatis untuk merubah kapasitas. Kebalikanya

dengan dengan turbin Kaplan yaitu turbin pelton, turbin pelton beroprasi pada head

tinggi dengan kapasitas yang rendah. Sedangkan turbin francis dengan

karakteristriknya yang beda dengan turbin lainya yaitu dapat beroperasi pada head

yang sangat rendah atau beroprasi pada head yang tinggi sesuai dengan lingkungan

tersebut dan dapat menyusaikan.

Dengan cara ini kita dapat menentukan turbin yang kita pilih dengan cara

melihat lingkungan yang ada dengan menentukan head air dan kurang lebih pada

rata-rata aliranya. Rata-rata turbin impuls di buat untuk tempat dengan head tinggi,

sedangkan turbin reaksi di gunakan dengan tempat yang head nya rendah. Dengan

ini saya menyimpulkan bahwa turbin Kaplan baik digunakan untuk semua jenis

debit dan head, dengan itu efesiensi yang di hasilkan sangat baik dalam kondisi

aliran apapun.

Dengan teori yang ada, pengaplikasian turbin berdasarkan tinggi head yang

didapatkan adalah sebagai berikut :

Tabel 2.1 Pengaplikasian turbin air terhadap tinggi head

Jenis Turbin Variasi Head (m)

Kaplan dan Propeller 2<H< 20 Francis 10<H< 3500

Pelton 50<H< 1000

Cross-Flow 6<H< 100

Turgo 50<H< 250 Sumber : (Sunyoto,2013)

6

Di jelaskan bahwa setiap turbine mempunyai kecepatan range dengan

spesifikasi sebagai berikut:

Tabel 2.2 Spesifikasi kecepatan pada turbin

No kecepatan spesifikasi Ns (RPM) Jenis turbin air

1 10<35 Turbin pelton nozel 1

2 35<60 Turbin pelton nozel <1

3 60<300 Turbin Francis

4 300<1000 Turbin Kaplan

5 350<1050 Turbin Propeller

Sumber : (Sunyoto, 2013)

2.2. Jenis-jenis Turbin Air

Turbin air sendiri mempunyai 2 jenis tipe yaitu:

a.) Turbin impuls atau Turbin aksi

Turbin aksi adalah jenis turbin yang mengalami proses ekspansi fluida

kerja hanya terjadi pada sudu-sudu tetapnya saja. Energi potensial yang ada

pada air dirubah menjadi energi kinetik pada nosel. Dengan demikian air yang

keluar pada nosel akan memancar dengan kecepatan tinggi. Pancaran air

tersebut akan menumbuk sudu-sudu yang terdapat pada runner, sehingga

runner berputar akibat adanya tumbukan air tersebut. Dalam proses ekspansi

fluida kerja diharapkan tidak terjadi penurunan tekanan pada sudu gerak.

Tetapi pada kenyataannya penurunan tekanan pada sudu gerak tetap ada (kecil

dan dapat diabaikan) yang diakibatkan oleh adanya gesekan, aliran turbulen

dan kerugian lainnya.

b.) Turbin Reaksi

Turbin reaksi disebut juga dengan turbin tekanan lebih karena tekanan

air sebelum masuk roda turbin lebih besar dari pada tekanan air saat keluar roda

7

turbin. Secara umum dapat dikatakan bahwa aliran air yang masuk ke roda

turbin mempunyai energi penuh, kemudian energi ini dipakai sebagian untuk

menggerakkan roda turbin dan sebagian lagi dipergunakan untuk

mengeluarkan air kesaluran pembuangan.

Proses ekspansi fluida kerja pada turbin reaksi terjadi pada sudu tetap

dan sudu geraknya. Air mengalir memasuki roda turbin melalui sudu-sudu

pengarah dengan tekanan yang tinggi. Pada saat air yang bertekanan tersebut

mengalir kesekeliling sudu-sudu, runner turbin akan berputar penuh. Energi

yang ada pada air akan berkurang ketika meninggalkan sudu. Energi yang

hilang tersebut telah diubah menjadi energi mekanis oleh roda turbin.

Ada beberapa contoh dari turbin impuls dan turbin rekasi:

1.) Turbin Impuls

- Turgo

- Michell-banki (disebut turbin crossflow)

- Pelton

2.) Turbin Reaksi

- Kincir air

- Tyson

- Kaplan, Propeleer, Tube, Starflo, Blub

- Francis

2.3. Klasifikasi Turbin Air

1. Turbin Pelton

8

Turbin Pelton termasuk jenis turbin impuls yang mengubah seluruh energi

air menjadi energi kecepatan sebelum memasuki runner turbin. Turbin Pelton terdiri

dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu

atau lebih alat yang disebut nozzle. Perubahan energi ini dilakukan didalam nozzle

dimana air yang semula mempunyai energi potensial yang tinggi diubah menjadi

energi kinetis. Pancaran air yang keluar dari nozzle akan menumbuk bucket yang

dipasang tetap sekeliling runner dan garis pusat pancaran air menyinggung

lingkaran dari pusat bucket. Kecepatan keliling dari bucket akibat tumbukan yang

terjadi tergantung dari jumlah dan ukuran pancaran serta kecepatannya. Kecepatan

pancaran tergantung dari tinggi air di atas nozzlenya serta effisiensinya. Turbin

Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton

adalah turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi. Turbin Pelton untuk

pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150 m tetapi untuk skala

mikro head 20 m sudah mencukupi.

Gambar 2.2. Runner Turbin Pelton

Sumber : (Sunyoto, 2013)

9

Gambar 2.3. Turbin Pelton dengan Banyak Nozzle

Sumber : (Sunyoto, 2013)

2. Turbin Turgo

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

turbin turgo merupakan turbin impuls, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari

nozzle membentur sudu pada sudut 20o. Kecepatan putar turbin turgo lebih besar

dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke

generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya

perawatan.

Gambar 2.4 Sudu turbin Turgo dan Nozzle

(Sumber: Sunyoto, 2013)

3. Turbin Banki/Cross Flow/ Ossberger

10

Salah satu jenis turbin impuls ini juga dikenal dengan nama Turbin Michell-

Banki yang merupakan penemunya. Selain itu juga disebut Turbin Ossberger 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. Turbin crossflow baik sekali digunakan untuk pusat tenaga air yang kecil

dengan daya kurang dari 750 kW. Pembuatan dan pemasangan konstruksi sangat

sederhana, dan biaya pembuatan murah

Gambar 2.5. Instalasi Turbin Crossflow

Sumber : Sunyoto, 2013

4. Turbin 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 head range antara 10 sampai beberapa ratus

meter dan fungsi utamanya adalah dalam memproduksi tenaga listrik. Memiliki

11

vane antara 9 atau lebih, dimana air akan mengenai vane-vane 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 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 yang berarti kerja fluida dalam

hal ini air mengubah tekanan dan bergerak memasuki turbin dan memberikan

energi. Inlet dari turbin perancis 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 dilaksanakan dengan posisi poros vertikal atau horizontal.

Gambar 2.6. Instalasi Turbin Francis

(Sumber : Sunyoto , 2013)

12

5. Turbin Kaplan dan Propeller

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. Turbin kaplan adalah turbin yang beroperasi

pada head yang rendah dengan kapasitas aliran air yang tinggi atau bahkan

beroperasi pada kapasitas yang sangat renah. Hal ini karena sudu-sudu trubin

kaplan dapat diatur secara manual atau otomatis untuk merespon perubahan

kapasitas.

(a) (b)

Gambar 2.7. (a) Instalasi Pembangkit dengan Turbin Kaplan dan (b) Bagian-Bagian

Turbin Kaplan

(b) Bagian-Bagian Turbin Kaplan

1. Scroll Casing : tempat air lewat sebelum ke runner dalam turbin

2. Guide Vanes : sudu yang mengarahkan air dan mengontrol aliran serta

banyaknya air yang masuk ke turbin.

3. Draft Tube: sebagai discharge line menuju tail race setelah melalui runner.

4. Runner : bagian paling penting dari turbin yang berhubungan langsung

dengan poros/shaft generator dan terdapat vane yang dapat bergerak serta

hub.

5. Hub/Boss : bagian paling penting pada runner yang merupakan tempat

sudu-sudu dimounting.

13

2.4. Putaran Spesifikasi Pada Turbin

Tabel 2.3. Spesifikasi Turbin Pelton

Turbin Bentuk Ns NII Q (m3/s) H(efektif), (m)

Pelton Satu Pancaran 9-11 39,8-39,4 0,007-0,011 1800-1650

11-17 39,4-38,9 0,011-0,024 1650-700

17-25 38,9-37,6 0,024-0,055 700-350

Tabel 2.4. Spesifikasi Turbin Francis

Turbin Bentuk Ns NII Q (m3/s) H(efektif), (m)

Francis Pelahan Normal 50-100 60,8-63,6 0,1-0,35 410-280

100-150 63,6-67,5 0,35-0,59 280-150

150-190 67,5-72,6 0,59-0,83 150-100

Tabel 2.5. Spesifikasi Turbin Kaplan

Turbin Bentuk Ns NII Q (m3/s) H(efektif), (m)

Kaplan 8 daun 190-250 85-145 0,930-1,220 50

6 daun 250-300 100-155 1290-1,800 35

5 daun 240-450 110-170 1,600-2,200 20

4 daun 330-560 120-180 2,000-2,350 15

3 daun 390-690 135-200 2,350-2,450 6

490-750

570-920 Sumber : (Patty, 1995)

1. Daya Turbin

Dari Head (H) dan kapasitas (Q) dapat di simpulkan bahwa daya turbin

yang diperoleh :

P = Q . ρ. g . H . Ƞr (Dietzel,1980)

Dimana :

P = Daya (KW)

ρ = Masa jenis air

g = Gravitasi

H= Tinggi air jatuh

14

Q = Kapasitas Air debit

Ƞr = Efesiensi Turbin

2. Berdasarkan nilai dari efesiensi Turbin

a) 0.8 - 0.9 untuk turbin francis

b) 0.7 - 0.8 untuk turbin cross-flow

c) 0.8 - 0.9 untuk turbin propeller/Kaplan

d) 0.8 - 0.85 untuk turbin pelton

3. Kecepatan Putaran (n)

Dalam menentukan kecepatan putaran harusnya di tentukan setinggi

mungkin , karena dengan kecepatan putar yang tinggi dapat di hasilkan ,

poros yang kecil, moment puntir yang kecil, dan bagian mesin lainya.

4. Kecepatan Spesifik (nq )

Kecepatan spesifikasi (nq) dari suatu turbin adalah kecepatan runer yang

dapat di hasilkan daya efektif 1 BHP untuk setinggi 1 m.

nq = n . √𝑄

𝐻34

= rpm (Sularso,1994)

n= kecepatan turbin

Dimana :

H = Head (m)

n = Kecepatan putar turbin (rpm)

Q = Kapasitas Air (m3/s)

5. Kapasitas aliran

Kapasitas air yang mengalir merupakan pengaruh dan luas penampang

dan kecepatan aliran. Setelah di ketahui luas saluran penampang A dan

kecepatan aliran C, maka kapasitas air yang mengalir Q adalah :

15

Q = A . c

Dimana :

A= luas penampang saluran (m2)

c= Kecepatan aliran (m/s)

2.5. Diameter pipe

D = √4 .𝑄

𝜋 . 𝑣2

Dimana :

D = Diameter pipe

Q = debit air (m3/s )

2.6. Perancangan tebal pipe

tp = 𝐷+50

400 + 𝜀

Dimana :

Tp = Tebal pipe (cm)

D = diameter penstock (cm)

2.7. Kecepatan aliran

Untuk menghitung kecepatan air pada sudu turbin diperlukan factor :

V = √2. 𝑔. 𝐻

Dimana :

V = Kecepatan aliran air (m/s) (Dietzel,1980)

g = Gravitasi (m/s2 )

16

H= Head (m)

Sehingga :

a. Kecepatan Tangensial masuk sudu sisi luar :

U1 = U1.√2. 𝑔. 𝐻 (Dietzel,1980)

Dimana :

U1 = Kecepatan tangensial masuk sudu sisi luar

g = Gravitasi

H = Head

b. Diameter luar sudu

D1 = 60.𝑢1

𝜇.𝑛 (Dietzel,1980)

c. Kecepatan tangensial masuk sudu pada leher poros :

UN = UN .√2. 𝑔. 𝐻 (Dietzel,1980)

Dimana:

UN = kcepatan tangensial masuk sudu pada leher poros (m/s)

g = Gravitasi (m/s2)

H = Head (m)

d. Diameter leher poros:

DN = 0.5 . D1

Dimana :

DN = Diameter leher poros

D1 = Diameter luar sudu

e. Kecepatan meridian pengarah :

Cmpengarah = Cmpengarah . √2. 𝑔. 𝐻

17

Dimana:

Cmpengarah = Kecepatan meridian pengarah (m/s)

g = Gravitasi (m/s2)

H = Head (m)

f. Luas penampang sudu (A)

A= (D12 – DN

2) 𝜋

4

Dimana:

A= Luas penampang sudu (m2)

DN = Diameter leher poros

D1 = Diameter luar sudu

g. Kecepatan Meredian Sudu C2m / C2

C2m = C2 = 𝑄

𝐴

Dimana:

C2m = Kecepatan Meredian Sudu (m/s)

Q = Debit air (m3/s)

A = A= Luas penampang sudu (m2)

h. Kecepatan tangensial pada tengah sudu atau U rata-rata :

UM = U1+UN / 2

Dimana :

UM = Kecepatan tangensial pada tengah sudu U (m/s)

U1 = Kecepatan tangensial masuk sudu sisi luar (m/s)

UN = kcepatan tangensial masuk sudu pada leher poros (m/s)

i. Kecepatan mutlak msuk sudu pada arah u (m/s)

18

CU1 = 𝑛𝑇.𝑔.𝐻

𝑈𝑚

Dimana:

CU1 = Kecepatan mutlak msuk sudu pada arah u (m/s)

ȠT = Efesiensi turbin

g = Gravitasi (m/s2)

H = Head (m)

UM = Kecepatan tangensial pada tengah sudu U (m/s)

j. Kecepatan Mutlak masuk sudu pada tengah sudu:

C1 = √𝐶2𝑚2 + 𝐶𝑢₁²

Dimana :

C1 = Kecepatan Mutlak masuk sudu pada tengah sudu (m/s)

C2m = Kecepatan meridian keluar sudu (m/s)

Cu1 =Kecepatan absolute (m/s)

k. Kecepatan relative keluar sudu pada tengah-tengah sudu :

W1 = √𝑈𝑚2 + 𝐶₂𝑚²

Dimana :

W1 = Kecepatan relative keluar sudu pada tengah-tengah sudu (m/s)

UM = Kecepatan tangensial pada tengah sudu U (m/s)

C2m = Kecepatan meridian keluar sudu (m/s)

l. Jumlah kesuluruhan lebar sudu (bx) :

B = 𝐷1

2−

𝐷𝑛

2

Dimana :

B = Jumlah kesuluruhan lebar sudu

19

D1 = Diameter luar sudu

Dn = Diameter leher poros

m. Jarak antara sudu :

L = 𝐷𝑛 .𝜋

𝑍

Dimana :

L = Jarak antara sudu (cm)

Dn = Diameter leher poros

Z = jumlah sudu

Z= 5 buah

Gambar 2.8 Grafik mencari Un, U1, Cm, dan Cm2

(Dietzel ,1980)