perancangan turbin pelton

49
BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Turbin Air Teori dasar aliran ( Hidrodinamik ) adalah Air yang mengalir mempunyai energi yang dapat digunakan untuk memutar roda turbin, karena itu pusat-pusat tenaga air dibangun disungai-sungai dan di pegunungan-pegunungan. Pusat tenaga air teersebut dapat dibedakan dalam 2 golongan, yaitu pusat tenaga air tenakan tinggi dan pusat tenaga air tekanan rendah. Menurut M.M. Dandekar “Turbin air merupakan jenis mesin fluida yang berfungsi merubah energi air menjadi energi listrik dimana air digunakan secara langsung untuk mengerakan roda turbin (runner)”. Menurut sejarah turbin sekarang ini berasal dari kincir air pada zaman petengahan yang dipakai untuk memecah batubara dan keperluan pabrik gandum. Tetapi 6

Transcript of perancangan turbin pelton

Page 1: perancangan turbin pelton

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Turbin Air

Teori dasar aliran ( Hidrodinamik ) adalah Air yang mengalir mempunyai

energi yang dapat digunakan untuk memutar roda turbin, karena itu pusat-pusat

tenaga air dibangun disungai-sungai dan di pegunungan-pegunungan. Pusat

tenaga air teersebut dapat dibedakan dalam 2 golongan, yaitu pusat tenaga air

tenakan tinggi dan pusat tenaga air tekanan rendah.

Menurut M.M. Dandekar “Turbin air merupakan jenis mesin fluida yang

berfungsi merubah energi air menjadi energi listrik dimana air digunakan secara

langsung untuk mengerakan roda turbin (runner)”.

Menurut sejarah turbin sekarang ini berasal dari kincir air pada zaman

petengahan yang dipakai untuk memecah batubara dan keperluan pabrik gandum.

Tetapi disamping pemikiran dasar Turbin moderen merupakan kemajuan

teknologi dari cabang – cabang bidang teknik seperti mekanika zat cair, ilmu

logam dan mekanika teknik.

Penemuan turbin air merupakan penemuan yang berarti dalam pengembangan

tenaga air. Bentuk turbin modern yang sekarang digunakan adalah rancangan dari

Francis (1849), Pelton (1890) dan Kaplan (1913). Menghubungkan turbin dengan

6

Page 2: perancangan turbin pelton

7

generator merupakan kemajuan yang berarti sekali bagi pusat Pembangkit Listrik

Tenaga Mikro Hydro. (Kasra Nofri , 2005 : 1). Pembangkit listrik tenaga mikro

hydro merupakan pembangkit listrik yang sangat tergantung pada ketersediaan air

yang mengalir (debit air). Bervariasinya tegangan yang dihasilkan lebih banyak

disebabkan karena bervariasinya debit air yang mengalir. Enoh (1997),

mengatakan bahwa variasi tegangan dapat saja direduksi dengan menambahkan

pemanas yang akan mengkonversikan energi listrik menjadi panas. Tentunya ini

tidak efisien dan mempunyai banyak kelemahan.

Turbin air merubah energi pontensial air menjadi energi kinetik, dimana

energi kinetik diperoleh dari tekanan tinggi air jatuh yang mengalir pada

ketinggian tertentu.

2.2 Klasifikasi Turbin Air

Klasifikasi turbin air dapat dibedakan berdasarkan :

2.2.1 Berdasarkan Prinsip Kerja

a. Turbin impuls

Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang

keluar dari nosel tekananya sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya.

Pada turbin impuls, air dari sebuah bendungan / dam dialirkan melalui

pipa pesat ( penstock ) , kemudian melalui mekanisme pengarah dan

terakhir melewati nozzle. Air yang keluar dari nosel mempunyai kecepatan

tinggi membentur sudu turbin, sehingga arah kecepatan aliran berubah.

Page 3: perancangan turbin pelton

8

Maka terjadilah perubahan momentum ( impuls ) yang mengakibatkan

roda turbin akan berputar.

Yang termasuk dari jenis turbin impuls adalah

1. Turbin pelton

2. Turbin banki (cross-flow)

b. Turbin reaksi

Pada turbin reaksi, energi yang tersedia pada saluran masuk hanya

sebagian saja yang dirubah menjadi energi kinetik sedangkan sisanya tetap

dalam bentuk energi tekan. Ketika air mengalir melalui roda gerak / runner

terjadi perubahan energi tekan menjadi energi kinetik secara berangsur-

angsur. Tekanan pada sisi masuk roda gerak lebih tinggi dibandingkan

tekanan pada sisi keluar roda gerak turbin, dimana tekanan tersebut

bervariasi terhadap laju aliran fluida yang melalui turbin. Selanjutnya agar

perubahan tekanan ini dapat terjadi, maka soda gerak/runner dalam hal ini

harus tertutup dari udara luar dan seluruhnya terisi air selama turbin

beroperasi.

Yang termasuk dari turbin reaksi adalah

1. Turbin francis

2. Turbin Kaplan dan propeller

Page 4: perancangan turbin pelton

9

2.2.2 Tinggi tekan

Perbedaan kemiringan (elevasi) dari muka air ke hulu dan ke hilir dari turbin

adalah tinggi tekan (head), dibawah tinggi tekan tersebut turbin berfungsi. Dimana

tidak ada muka air bebas, perbedaan antara jumlah seluruh tenaga pada kedua sisi

turbin, memberikan suatu ketinggian. Turbin bekerja dibawah suatu wilayah yang

luas dengan tinggi tekan dari 2 meter sampai 2.000 meter. Berdasarkan wilayah

tersebut, diadakan penggolongan turbin. Mosoyi memaparkan tersebut, sebagai

berikut :

- Tinggi tekan rendah 2 – 15 meter

- Tinggi tekan sedang 15 – 50 meter

- Tinggi tekan tinggi > 50 meter

Dengan memodifikasi ruang lingkupnya guna menjelaskan pemilihan turbin yang

ada hubungannya dengan tinggi air. Dengan demikian :

- Tinggi tekan rendah 2 – 15 m, menggunakan turbin Kaplan

- Tinggi tekanan sedang 16 – 70 m, menggunakan turbin francis

- Tinggi tekan tinggi 71 – 500 m, menggunakan turbin pelton

- Tinggi tekan sangat tinggi > 500 m, menggunakan turbin pelton

dengan berbagai modifikasi penyusuaian.

2.2.3 Arah Aliran

Ketiga arah ortogonal pada aliran dalam turbin dapat uraikan sebagai aliran

radial, aksial dan tangensial, sementara dalam perencanaan ini menghasilkan arah

radial dan tangensial. Tabel 2.1 adalah ringkasan dari arah aliran yang umumnya

terjadi pada turbin yang biasa di gunakan.

Page 5: perancangan turbin pelton

10

Tabel 2.1. Jenis - Jenis Arah Aliran Turbin Air

Jenis turbin Arah aliran

Francis Radial atau gabungan

Pelton Tangensial

Kaplan Aksial

Cross – Flow Radial

Deriaz Diagonal

(Sumber : Pembangkit Listrik Tenaga Air ; M.M. Dandekar, hal 396)

2.2.4 Debit

Turbin dapat juga disebut sebagai turbin debit rendah, sedang dan tinggi,

turbin Pelton untuk ukuran perbandingan adalah turbin dengan debit relatif

rendah. Turbin Kaplan merupakan turbin dengan debit tinggi, sementara Francis

merupakan turbin dengan debit sedang.

2.2.5 Tenaga

Tenaga sebuah turbin dapat dinyatakan dengan tenaga kuda. Tenaga yang

dikeluarkan bagaimanapun, tergantung dengan head maupun debit. Sejauh itu,

satu unit turbin Pelton adalah > 330.000 tk, turbin Kaplan > 150.000 tk, dan

turbin Fancis > 820.000 tk.

Page 6: perancangan turbin pelton

11

2.2.6 Kecepatan Spesifik

Kecepatan specifik ( specific speed ) adalah kecepatan turbin model yang bekerja

pada tinggi air jatuh. Table 2.2 menujukan penggolongan turbin-turbin atas dasar

kecepatan spesifik.

Tabel 2.2. Kecepatan Spesifik Turbin Air

Kecepatan specifik

(ns)

Jenis turbin

4 - 35 Pelton dengan 1 nosel

17 – 50 Pelton dengan 2 nosel

24 - 70 Pelton dengan 4 nosel

80 - 120 Francis dengan kecepatan rendah

120 - 220 Francis dengan kecepatan normal

220 - 350 Francis dengan kecepatan tinggi

350 – 430 Francis dengan kecepatan sangat tinggi

300 - 1000 Kaplan

(Sumber : Hydraulic Turbines; Miroslav Nechleba hal. 80)

2.3 Kontruksi Turbin Air

Page 7: perancangan turbin pelton

12

2.3.1 Turbin Francis

Turbin Francis bekerja dengan memakai proses tekanan lebih. Pada waktu

air masuk ke roda jalan, sebagian dari energi tinggi jatuh telah bekerja didalam

sudu pengarah diubah sebagai kecepatan arus masuk. Sisa energi tinggi dimanfa-

atkan atau bekerja didalam sudu jalan, dengan adanya pipa isap memungkinkan

energi tinggi jatuh bekerja di sudu jalan dengan semaksimum mungkin. Didalam

pipa isap kecepatan aliran akan berkurang dan tekanannya akan kembali naik,

sehingga air bisa dialirkan keluar lewat saluran air bawah dengan tekanan seperti

keadaan sekitar. Sudu pengarah pada turbin Francis berupa sudu pengarah yang

tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Dalam berbagai kondisi

aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang

tepat.

Jenis konstruksi turbin ini pertama kali dibuat sekitar tahun 1950 oleh

seorang Amerika yang bernama Howk dan Francis, turbin ini yang paling banyak

dipakai, karena tinggi air jatuh dan kapasitasnya yang paling sering didapat /

sesuai dengan kebutuhan. Dari hasil penggunaan dan penelitian yang terus

menerus untuk pengembangan selanjutnya, turbin Francis sekarang sudah bisa

digunakan untuk tinggi air jatuh sampai 700 meter dengan kapasitas air dan

kecepatan putar yang sudah memenuhi harapan.

Page 8: perancangan turbin pelton

13

Gambar 2.1. Kontuksi Turbin Francis; Escher Wysss(Sumber : Turbin Pompa Dan Kompresor; Dietsel Fritz, Dakso sriyono, hal: 45)

Keterangan :

1. Roda jalan

2. Cincin labirin

3. Cincin labirin kontra

4. Cincin jet arang

5. Pipa kuras

6. Pengumpul minyak yang

berputar

7. Blok bantalan

8. Bantalan penghantar

9. Saluran aliran kompensator

10. Bordes pelayanan

11. Poros turbin

12. Kopling

13. Poros hantar

14. Tabung penutup poros

15. Titik tangkap servomotor

16. Cincin pengatur

17. Tuas

Page 9: perancangan turbin pelton

14

18. Batang penggerak

19. Cincin hantaran

20. Roda penghantar

21. Tutup turbin

22. Tabung block bantalan atas

23. Cincin penutup roda bantalan

tengah

24. Cincin penutup roda

pengarah

25. Daun sudu pengarah

26. Tutup turbin bawah atau

cincin roda pengarah

27. Saluran udara pipa isap

28. Pipa isap

29. Rumah keong

30. Sudu penyangga

31. Cincin sudu penyangga

Penjelasan turbin Francis dengan daya kecil, gambar 2.1 sebagai berikut :

Air masuk melewati ruah keong (29) yang telah di perkuat dengan sudu-

sudu penyangga (30). Disebelah kanan adalah daun sudu pengarah (25) atau yang

biasanya disebut sebagai sudu pengarah saja. Posisi membuka dan menutup sudu

tersebut digerakan melalui batang penggerak (18), tuas (17) dan cincin pengatur

(16) sesuai dengan banyak atau sedikitnya air masuk kedalam turbin. Untuk

penutupan aliran air yang masuk kedalam turbin tiba-tiba, supanya tekanan

didalam rumah keong dan pipa saluran tidak naik, maka pelimpahan/saluran aliran

kompensator (9) dapat terbuka dalam waktu yang singkat. Cincin labirin (2) dan

(3) dan juga cincin jat arang (4) pada prinsipnya mencegah jangan sampai air

masuk keruangan yang lain-lainnya, kecuali hanya masuk ke sudu pengarah dan

dan sudu jalan ; air yang keluar dari sudu pengarah mempunyai tekanan lebih.

Page 10: perancangan turbin pelton

15

Roda jalan dengan poros dan dengan rotor generator ditahan atau dipikul bantalan

(8) adalah sebagai bantalan penghantar radial.

2.3.2 Turbin Kaplan Dan Propeller

Pada turbin Kaplan roda gerak (runner) menyerupai ulir atau sebuah

baling-baling yang terdiri dari pusat pada periphery, dimana baling-baling

lengkung dinaikan. Baling-baling turbin Kaplan bervariasi antara 3 – 8 tergantung

pada jangkauan (range) kecepatan spesifik. Baling-baling berbentuk sebuah badan

beronggga semikonikal permukaan luar dimana menjadi batas dari pemasukan

(passage) air. Didalam poros terdapat corong (shaft) turbin. Dalam hal (case)

turbin kaplan, rumah-rumah poros penyelesaian mekanikal yang otomatis

mengubah dayung tergantung pada beban.

Pada saat bekerja turbin ini bisa diatur posisinya, sesuai dengan peruba-

han tinggi air jatuh, jadi turbin ini cocok untuk pusat air jatuh yang dibangun

disungai. Dimana makin kecil tinggi air yang tersedia, makin sedikit belokan

aliran air didalam sudu jalan. Turbin ini bekerja pada air jatuh yang berubah –

ubah mempunyai kerugian, karena dalam perencanaan sudu turbin telah

disesuaikan bahwa perpindahan energi yang baik hanya terjadi pada titik normal

yaitu pada kondisi perbandingan kecepatan dan tekanan yang tertentu.

Page 11: perancangan turbin pelton

16

Gambar 2.2 Kontruksi Turbin Kaplan(Sumber : Turbin Pompa Dan Kompresor; Dietsel Fritz, Dakso sriyono, hal: 57)

2.3.3 Turbin Crossflow

Turbin crossflow merupakan turbin air yang di kenal dengan nama turbin

michell-banki sesuai dengan nama penemunya. Turbin crossflow dapat

dioperasikan pada debit 20 liter/second sampai 10 m³/det, dan antara 1 s/d 200

meter.

Turbin crossflow terdiri dari tiga bagian utama, yaitu roda jalan, alat

pengarah dan rumah turbin. Dari alat pengarah pancaran air keluar tegak lurus.

Roda jalan dan alat pengarah dibagi menjadi 2 buah sel tegak lurus tidak sama

dengan perbandingan 1 : 2, maksudnya adalah bila aliran air kapasitasnya sedikit

maka yang dioperasikan adalah sel kecil, bila kapasitas air sedang maka yang

Page 12: perancangan turbin pelton

17

dioperasikan sel yang besar dan bila airnya banyak maka turbin akan bekerja

dengan kedua sel tersebut.

Gambar 2.3 Turbin Crossflow(Sumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf)

2.3.4 Tubin pelton

Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang berputar karena adanya

pancaran air yang disemprotkan dari nosel. Pancaran air akan mengenai sudu di

tengah-tengahnya dan sesuai dengan pertimbangan tempatnya air pancar tersebut

akan belok ke dua arah supaya ada kemungkinan mambaliknya air bisa diarahkan

tegak lurus. Turbin ini bisa terdiri dari 1 s/d 6 buah nosel untuk memutar roda

jalan (runner). Turbin ini sangat cocok digunakan untuk head tinggi, tetapi tidak

jarang juga digunakan untuk head rendah yang biasanya disebut Turbin Pelton

Mikro. Turbin pelton mikro berkapasitas jauh lebih kecil daripada turbin pelton.

Mikro menunjukan ukuran kapasitas pembangkit yaitu antara 5 kW sampai 100

kW.

Page 13: perancangan turbin pelton

18

Turbin ini terdiri dari sebuah piringan lingkaran pada pinggir-pinggirnya

(periphery), sebuah nomor dari dua lobe keranjang dimontase (mounted). Pada

desain-desain terdahulu tiap keranjang (bucket) dikukuhka ditengah piringan. Saat

ini runner dibuah secara menyeluruh sehingga menjadi lebih mahal. Aspek ini

bagian yang sangat penting dari roda ,tentu saja keranjang tersebut dari mana

pancaran jet memancar dan air memancar sebagai aliran simetri ke dalam tiap

lobe dari keranjang. Keadaan simetri ini menegaskan bahwa tidak ada momen

pada arah aksial dan kedua tidak ada kekuatan aksial pada shaft bearings.

Gambar 2.4 Kontruksi Turbin Pelton(Sumber : Turbin Pompa Dan Kompresor; Dietsel Fritz, Dakso sriyono, hal 30)

2.4 Karakteristik Turbin Air

Turbin air adalah suatu pesawat tenaga, dimana air merupakan media utama

sebagai sumber energi yang diubah sedemikian rupa sehingga didapatkan energi

mekanis. Adapun uraian singkat konveksi energinya digambarkan seperti dibawah

ini :

Page 14: perancangan turbin pelton

19

Secara singkat dapat dijelaskan sebagai berikut : air mengalir dari tempat yang

tinggi menuju ketempat yang lebih rendah, dalam hal ini air memiliki energi

potensial. Dimana air mengalir didalam pipa sehingga energi potensial sedikit

demi sedikit berubah menjadi energi kinetik. Didalam turbin energi kinetik air

diubah menjadi energi mekanis, dimana air yang mengalir ketinggian tertentu

didalam pipa menabrak sudu-susu turbin, kemudian memutar roda turbin.

Turbin air disebut juga sebagai pesawat air, dimana air dapat dikatakan secara

langsung memutar poros dari pada rotor, jadi bertentangan atau berbeda dengan

motor bakar atau mesin uap, dimana diperlukan hubungan antara peralatan gerak

untuk mengembangkan momen putar. Adapun bagian-bagian utama dari turbin air

adalah sebagai berikut :

a. Rotor adalah bagian yang berputar yang terdiri atas poros, runner dan

sejumlah sudu. Pada sudu-sudu inilah energi kinetik air diubah menjadi

energi mekanis.

b. Stator adalah bagian yang diam , terdiri dari rumah turbin dan beberapa

sudu tetap / nozzle.

Energi mekanis

Energi kinetik

Energi

Page 15: perancangan turbin pelton

20

Kurva-kurva karakteristik turbin dinyatakan penampilan dari turbin diatas daerah

muatan sepenuhnya dari turbin. Hal ini biasa untuk menggambarkan kurva-kurva

debit dan effisiensi dibandingkan kecepatan pada suatu tinggi tetap. Karakteristik

utama turbin air dapat dilihat pada gambar 2.5 dibawah ini.

Gambar 2.5 Karakteristik Utama Turbin(Sumber : Pembangkit Listrik Tenaga Air; M.M. Dandekan, K.N.Shalma, hal: 446)

Adapun karakteristik dari turbin air adalah :

2.4.1 Kecepatan Spesifik

Kecepatan spesifik atau cepat jenis ( specific speed ) adalah kecepatan

turbin model yang bekerja pada tinggi jatuh 1 meter dan menghasilkan daya

output 1 Hp. Kecepatan spesifik dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut

:

N s=N .√P t

H 1,25 ................................................................ 1.1

kaplan

Kecepatan

Turbin ReaksiTurbin impuls

Francis

Dayagunnna/efisiensi

Pelton

Debit

Page 16: perancangan turbin pelton

21

Dimana :

N s=¿ Putaran specifik turbin

N=¿ Putaran turbin

H = Head effektif air

Pt = daya turbin effektif

Kecepatan spesifikasi (N s ) merupakan suatu istilah yang dipakai untuk

mengelompokan turbin atas unjuk kerja dan ukuran pertimbangannya diantar

jenis, Pelton, Francis, Propeller atau Turbin Aliran Silang.

Untuk pemakaian keceptan spesifik dimana tinggi terjun kerja, debit dan

putaran turbin yang dikehendaki sudah diketahui, kemudian apakah turbin pelton

tersebut ,menggunakan 1 nosel atau lebih dapat diketahui pada Tabel 2.2, kisaran

penggunaan nosel pada turbin Pelton berdasarkkan harga – harga kecepatan

spesifik.

2.4.2 Kecepatan Satuan

Kecepatan satuan (Nu) adalah kecepatan putaran turbin yang mempunyai

diameter (D) satu satuan panjang dan berkeja pada tinggi terjun (H) satu satuan

panjang.

2.4.3 Rasio Kecepatan

Rasio kecepatan adalah perbandingan kecepatan keliling linier turbin pada

ujung diameter nominalnya dibagi dengan kecepatan teoritis air dengan tinggi

Page 17: perancangan turbin pelton

22

jatuh melalui curat dengan tinggi jatuh sama dengan tinggi jatuh yang berkerja

pada turbin.

2.4.4 Daya Satuan

Daya satuan yang mempunyai diameter (D) satu satuan panjang dan

berkeja pada tinggi terjun (H) satu satuan panjang.

2.4.5 Debit Satuan

Debit satuan adalah debit turbin yang mempunyai diameter satu satuan

panjang dan berkerja pada tinggi jatuh satuan panjang. Debit yang masuk turbin

secara teoritis dapat diandalkan sebagai debit yang melalui suatu nozel dengan

tinggi jatuh sama dengan dengan tinggi jatuh yang berkerja pada turbin.

2.5 Effisiensi Turbin

Setiap turbin mempunyai effisiensi yang berbeda-beda, tergantung dari

keadaan beban dan jenis turbinya. Kinerja dari suatu turbin dapat dinyatakan

dalam beberapa keadaan tinggi jatuh maksium, tinggi jatuh minimum, tinggi jatuh

normal, dan tinggi jatuh rancangan. Pada tinggi jatuh rancangan turbin akan

member kecepatan terbaiknya sehingga effisiensinya mencapai maksimum. Tabel

2.3, menunjukan effisiensi turbin berbagai kondisi beban.

Page 18: perancangan turbin pelton

23

Tabel 2.3 Effisiensi Turbin Untuk Berbagai Kondisi Beban

Jenis turbin Ns

% efisiensi pada berbagai

kondisi beban % beban pada efisiensi

maksimum0,25 0,50 0,75 1,00 Max

Pelton 22 81 86 87 86 87,1 70

Francis 75 62 83 88 83 88 75

Francis 110 60 85 90 84 90,2 80

Francis 220 59 83 90 85 91,5 85

Francis 335 54 82 91 86 91,0 87,5

Francis 410 47 71,5 85 87 91,5 92,5

Francis 460 55 74,5 86,5 86 92,5 92

Propeller

(sudu tetap)

690 45 70 84,5 82 91,5 92

Propeller

(sudu tetap)

800 32 59 78 84 88 96

Propeller

(sudu diatur)

750 83,5 91 91,5 87 91,6 70

(Sumber : Hydrolictric Handbook; William P.Creager And Joel)

2.6 Kecepatan Lepas

Kecepatan lepas ( the runaway ) suatu turbin adalah kecepatan putar turbin

tanpa beban dan tidak ada kondisi pengaturan. Kecepatan maksimum yang

mungkin terjadi dinamakan kecepatan lepas maksimum.. Pada turbin yang

memiliki rotor yang dapat digerakkan, ini akan terjadi bila kedudukan sudu rotor

Page 19: perancangan turbin pelton

24

(runner blade) dan baling-baling antar ( guide vane ) yang berbeda-beda dan tak

ada hubungannya satu sama lain. Apabila tinggi jatuh air berubah - rubah, maka

dipakai kecepatan lepas yang terbesar yaitu sesuai dengan H yang terbesar. Pada

umumnya, kecepatan lari adalah 1,85 - 2 kali kecepatan putar normal ( kecepatan

putar yagn direncanakan ) untuk turbin Pelton, 1,6 - 2,2 kali untuk turbin Francis,

1,8 - 2,3 kali untuk turbin aliran diagonal, dan 2,2 - 3,2 kali untuk turbin Kaplan.

2.7 Ukuran Turbin

Kecendrungan sekarang adalah menggunakan turbin yang semakin besar.

Salah satunya alasan pokok adalah bahwa effisiensi hidroulik semakin meningkat

karena ukuranya. Pada umumnya lebih hemat menggunakan unit-unit yang

ukurannya lebih besar. Ukuran dan jumlah turbin harus dipilih secara bijaksana

sehingga dapat member kondisi kerja yang optimum dan hemat pula. Jika

mengambil terlalu besar ukuranya, kerugian dari sebuah unit dapat mengganggu

beban. Untuk mesin tingkat permukaan air yang tinggi, masalah kebocoran dapat

mengganggu katup-katup maupun segel antara penggerak (runner) dan

selubungnya. Table 2.4 ukuran turbin yang berhubungan dengan tinggi air, tenaga,

ukuran, dan kecepatan khusus.

Page 20: perancangan turbin pelton

25

Tabel 2.4 Ukuran Turbin

Jenis turbin

Maks.

Ketinggian

(m)

Maks.

Tenaga

(tk)

Maks.

Diameter roda

(m)

Kecepatan

khusus

Pelton

Francis

Kaplan

300 – 200

30 – 500

2 - 70

3.30.000

9.60.000

300

5,5

10

10

3– 70

60 – 400

300 - 1100

(Sumber : Pembangkit Listrik Tenaga Air; M.M. Dandekan, K.N.Shalma, hal 400)

2.8 Pengaturan Turbin

Kondisi dasar yang dipenuhi pada penggerak turbin-turbin adalah bahwa

frekuensi dari pembangkit diusahakan tetap. Hal ini dapat dicapai dengan dua cara

yaitu :

1. Dengan mempertahankan kecepatan tetap, terlepas dari beban yang ada

pada mesin.

2. Dengan menggunakan suatu penurunan sedikit dari kecepatan, tidak lebih

dari 5%, antara tanpa beban dengan beban penuh dan dengan mengatur

beban pada mesin yang sesuai. Metode ini sesuai bila ada suatu baterai

dari mesin-mesin berkerja secara parallel yang member tenaga untuk

jaringan umum.

Syarat-syarat dasar dari pengaturan adalah ketepatan dan ketelitian operasi

yang tetap dan mantap, stabil dibawah kondisi-kondisi sementara, dinyatakan oleh

kekurangan hunting. Hunting adalah suatu gejala yang terjadi apabila gerakan

Page 21: perancangan turbin pelton

26

pintu kecil tidak diperiksa secara tertutup, jadi perubahan yan terus-menerus

secara berkala dari pembukaannya mengambil tempat. Di samping hal itu, ada

suatu pembatasan pada waktu penggerak pengaturan secepat perubahan-

perubahan pada aliran yang menimbulkan tekanan-tekanan pukulan air pada

batang pipa. Sebagai pengaturan jempol (thumbrule) untuk perencanaan, tekanan

lebih biasanya sekitar 10 - 15% dari tekanan bersih (net head) untuk turbin-turbin

dengan tinggi tekan yang tinggi dan 40% untuk tinggi tekan rendah.

2.8.1 Pengaturan Hindraulik

Pengaturan hindraulik merupakan pengaturan kecepatan atau pengaturan

tenaga, pengaturan sebenarnya terdiri di dalam jalur debit dari turbin yang

diperiksa pemasukan turbin. Hal itu dilakukan oleh ujung-ujung katup ke turbin

pelton dan oleh penutupan dan pembukaan dari pintu-pintu ukuran kecil pada

kasus dari turbin Francis dan Kaplan. Pada kasus dari pengeluaran beban yang

tiba-tiba, aliran air ke turbin telah dipancarkan keluar dari turbin secara berkala,

sampai penempatan dari katup memakai sejumlah detik ini dicapai oleh sebuah

lempengan pembelokan pada turbin pelton dan oleh sebuah katup penolong yang

ada pada turbin reaksi.

2.8.2 Pengaturan Kelistrikan

Pengaturan kelistrikan memakai sirkuit-sirkuit listrik yang ditempatkan

pada peralatan-peralatan menkanika. Pengaturan unit listrik terdiri dari sekumpu-

lan penyambung-penyambung pencegah, amplifer-amplifer pemilih dan peralatan

Page 22: perancangan turbin pelton

27

listrik lainnya yang mencapai fungsi-fungsi yang sama sebagai pengangkat pada

pengaturan hidromekanika. Timbulnya kedatangan pengaturan listrik telah

menimbulkan masalah dari pengaturan turbin-turbin diperlukan dasar yang lebih

besar. Selain dari unit pengaturan, sebuah pusat tenaga pengaturan yang lebih luas

tergantung dari frekuensi jaringan yang sekarang dapat dicapai.

2.9 Kavitasi

Kavitasi adalah suatu gejala fisik yang dialami oleh aliran cairan, kapan saja

tekanan umum mendekati tekanan uap, misalnya pada kondisi hampa udara. Pada

saat tekanan turun menjadi tekanan uap , air mulai menguap pada saat yang sama,

gas-gas yang larut secara normal juga mulai menjadi bebas sehubungan dengan

tekanan rendah. Jadi, pada air yang mengalir, gelembung-gelembung kecil

(minute microscopic bubbles) terbentuk yang berisi uap dan gas. Gelembung –

gelembung tersebut muncul terus secara umum dan dalam jumlah yang besar.

Gelembung tersebut dapat melekat pada permukaan padat dan membentuk suatu

rongga dekat permukaan atau bisa terangkut besama aliran melalui daerah-daerah

dimana tekanan yang tinggi mungkin terjadi. Bila tekanan yang lebih tinggi

menjadi cukup tinggi untuk mengatasi dampak dari tegangan permukaan dari

gelembung rongga, gelembung berubah dengan suatu perubahan yang cepat dalam

aliran pada daerah kecil mengelilingi aliran. Hasil dari pecahan gelembung

merupakan suatu gelombang kejut yang sama dengan pukulan gelombang air,

tetapi dengan suatu priode yang sangat pendek dan hanya mempengaruhi sebuah

ruang pendek, sebelum itu ditekan oleh sejumlah masa air yang mengelilinginya.

Page 23: perancangan turbin pelton

28

Pada turbin-turbin kerusakan akibat kavitasi disebut sebagai pelubangan (pitting ),

diperkirakan terjadi pada pipa-pipa sementara dan pada lorong penggerak. Pada

turbin pelton, kerusakan akibat pengikisan pada kran ( nozzle ) dan pada ujung

katup.

Perlubangan pada turbin dapat dihindari atau dicegah dengan cara :

1. Suatu perencanaan yang langsing dan sebaik-baiknya dari lintasan aliran

dari penggeraknya yang sama baiknya.

2. Tekanan rata-rata sub-atmosfer pada keluaran penggeraknya

dipertahankan sedikit diatas batas tekanan uap.

3. Pemeriksaan berkala terhadap turbin, dan pengelasan titik tetap pada

bagian yang terkikis, gejala kerusakan tidaklah diperbolehkan untuk di

percepat.

Kerusakan akibat kavitasi dapat dicegah dengan jalan menggunakan material yang

kuat atau melapisi dengan bahan yang tahan terhadap kavitasi, seperti baja tahan

karat ( Stainless Steel ) dan Crom, terutama untuk bagian - bagian dimana

diperkirakan dapat terjadi kavitasi.

2.10 Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH)

Pembangkit listrik tenaga mikrohidro adalah pembangkit listrik tenaga air

yang memanfaatkan energi pontesial air kecil atau rendah. Pembangkit listrik

tenaga mikrohidro daya yang dihasilkan sekitar 5 – 100 kW, pembangkit listrik

minihidro daya yang dihasilkan sekitar 100 – 5000 kW, dan pembangkit listrik

tenaga air daya yang dihasilkan sekitar > 5000 kW.

Page 24: perancangan turbin pelton

29

Page 25: perancangan turbin pelton

30

Sistem pembangkit listrik tenaga mikrohidro (Gambar 2.6) terdiri dari

bendungan yang berfungsi sebagai kolam penampungan air yang mempunyai

kesanggupan untuk menyediaakan air dan menaikan ketingian tekanan air serta

mengarahkan air ke sayap bendungan, dimana sayap berfungsi untuk

mengarahkan air yang masuk ke intake selanjutnya melalui saluran pembawa air

dialirkan ke bak pengendap yang berfungsi untuk menjebak kotoran yang terbawa

oleh aliran air yang dilengkapi pintu penguras yang digunakan untuk membuang

kotoran dari bak pengendap kemudian air melalui bak penenang yang dilengkapi

saringan selanjutnya air menuju pipa pesat untuk memutar turbin yang selanjutnya

dapat menghasilkan listrik.

Secara umum sistem pembangkit listrik tenaga mikrohidro adalah merubah

energi pontensial air menjadi energi kinetik, akibat adanya perbedaan tinggi

bedungan dengan poros turbin. Didalam turbin energi kinetik diubah menjadi

energi makanis, karena energi kinetik air yang mengalir didalam pipa memutar

roda turbin yang mengakibatkan poros turbin memutar generator (energi listrik).

2.10.1 Bendungan

Bendungan yang berfungsi sebagai kolam penampungan air yang

mempunyai kesanggupan untuk menyediaakan air dan menaikan ketingian

tekanan air sehingga air dapat mengalir ke intake kemudiaan air dialirkan

kesaluran pembawa.

Page 26: perancangan turbin pelton

31

Dalam membangun sebuah bedungan pertimbangkan dasar yang perlu

dilakukan adalah :

1. Factor keamanan dan ekonomi

Kegagalan dari sebuah bendungan ialah bencana dari pemasukan sebagian

besar banyak penghidupan dan biaya. Bendungan juga harus memuasakan dari

kestabilan untuk ; ketinggian aliran tak lazim dengan waktu pengambilan dari

perintah 10.000 tahun dan kejutan muatan yang mungkin bertepatan dengan

gempa bumi dan perubahan yang tiba-tiba dari bak pengumpul.

2. Factor ekonomi keseluruhan

Analisis ekonomi secara keseluruhan mengambil jumlah bisanya modal dari

bangunan sebaik mungkin pemeliharaan keluar melalui bendungan saat

penghidupannya, untuk perbandingan dan uraian biaya yang paling sedikit.

Selain itu bendung harus memenuhi spesifikasi teknis yang telah ditentukan

meliputi :

a. Bendung harus dilengkapi pintu penguras endapan dan lantai pintu

penguras diletakkan mimimum 60 cm dibawah pintu intake atau lantai

saluran penghantar.

b. Lebar pintu penguras dibuat antara 0,6 meter sampai dengan 1,0 meter.

Daun pintu penguras sebaiknya dibuat dari plat baja dengan ketinggian

lebih dari 1.5 meter, sedangkan bendung dengan ketinggian kurang

dari 1,5 meter cukup dengan menggunakan balok sekat ( stop log).

c. Untuk bendung yang berada pada dasar yang bukan berupa batuan,

maka dibagian belakang bendung dibuat lantai dengan batu kosong

Page 27: perancangan turbin pelton

32

dengan tebal minimum 30 cm dan lebar lantai 200 cm untuk bendung

dengan ketinggian maksimum 1,0 meter , sedangkan bendung dengan

ketinggian anatara 1 s/d 2 meter, lebar lantai dibuat 2 s/d 3 meter.

d. Pada bagian muka bendung, dibuat lantai pasangan batu dengan

adukan 1 : 2.

2.10.2 Intake

Intake adalah bagunan baik disisi kiri maupun kanan bendung berfungsi

untuk mengalirkan air ke saluran pembawa sesuai dengan debit yang

direncanakan. Intake dirancang agar selalu mampu mengalirkan air sesuai dengan

debit perencanaan pada kondisi sungai yang bagaiamanapun. Pada intake

dilengkapi saringan kasar untuk mencegah sampah dan kayu-kayu masuk kedalam

saluran pembawa. Dalam mendisain intake dengan pintu stoplog perlu

diperhatikan pertimbanganpertimbangan dalam perencanaan sebagai berikut:

a. Untuk menjaga naiknya muka air yang tinggi dalam saluran penghantar pada

saat sungai banjir, maka bangunan sadap harus dilengkapi dengan sekat dari

beton bertulang.

b. Elevasi ambang batas lubang sadap harus terletak maksimum 5 cm diatas

elevasi muka air sungai pada debit minimum Muka Air Rendah ( MAR ).

c. Elevasi lantai lubang harus ditentukan minimum 0,50 meter diatas lantai

penguras untuk menghindari masuknya bahan padat / endapan.

d. Perbandingan tinggi dan lebar sedapat mungkin memenuhi syarat – syarat :

- Lebar pintu intake ( b ) :

Page 28: perancangan turbin pelton

33

b=√ 2Q

3 C (2 gY )0,5 (m) .................................................. 1.2

- h = Tinggi pintu intake.

h=32

b (m)

Dimana :

Q = Debit air, ( m³/s )

g = Percepatan grafitasi , ( 9,81 m/s²).

Y = Kedalaman air dimuka pintu intake ( 0,2 s/d 0,5 )

C = Koefisien pengaliran.

e. Kecepatan air masuk di lubang sadap tidak boleh diambil lebih dari 1,5

m/detik.

f. Untuk menutup bangunan sadap dalam keadaan darurat dan waktu diadakan

perbaikan, bangunan sadap dilengkapi dengan balok sekat. Penempatan

balok sekat harus mempertimbangkan ruang kerja antara kedudukan balok

dengan daun pintu

2.10.3 Saluran Pembawa

Saluran pembawa berfungsi untuk mengalirkan air dari intake ke bak

penenang sehingga mengurangi perembesan dan pengikisan agar air yang masuk

sesuai dengan debit perencanaan. Saluran pembawa dirancang sesuai dengan debit

yang direncanakan, kemiringan antara dasar bendung dengan dasar bak

pengendap serta kondisi daya dukung tanah sepanjang lintasan saluran pembawa

Page 29: perancangan turbin pelton

34

selain itu diperhitungkan pula toleransi debit yang diijinkan masuk ke saluran

pembawa pada kondisi banjir.

2.10.4 Bak Penenang

Bak penenang berfungsi untuk mengurangi kecepatan air yang masuk dari

saluran, sehingga turbulensi air pada saat masuk ke dalam pipa pesat ( penstock )

berkurang untuk dapat membangkitkan daya yang optimal. Pada bak penenang

dilengkapi dengan saringan ( trash rack ) dimaksudkan agar air yang masuk ke

dalam turbin bebas dari benda-benda keras yang dapat merusak runner turbin.

Pertimbangan dalam perencanaan, bak penenang sekurang - kurangnya dilengkapi

dengan bagian konstruksi sebagai berikut :

a. Bangunan pelimpah,

b. Pintu penguras.

c. Lobang sadap untuk pipa pesat.

d. Pintu pengatur.

e. Saringan sampah.

2.10.5 Perencanaan Pipa pesat ( Penstock)

1. Perencanaan Panjang Pipa Pesat (Penstock)

Dalam perancancangan pipa pesat, harus mengetahui berapa banyak pipa

pesat yang dibutuhkan untuk mengalirakan air dari tempat asal sampai ke turbin.

Panjang pipa pesat dapat dihitung dengan persamaan sebagi berikut :

L= Hgsin α

............................................................................... 1.3

Dimana :

Page 30: perancangan turbin pelton

35

L = panjang pipa induk (m)

Hg = Head gloss (m)

Sin α = sudut yang dibentuk oleh sumbu mendatar

2. Perencanaan Diameter Pipa Pesat

Diameter pipa induk dapat di cari dengan persamaan berikut :

D=√ 4 .Qπ . c

................................................................................... 1.4

Dimana :

D = diameter pipa induk (m)

Q = kapasitas aliran air (m³/s)

c = kecepatan air didalam pipa induk ( m/s)

Setelah diameter pipa diketahui, maka dari tabel Bell And Spigot Cast Iron

Pipe data dari tabel 7 buku “ Handbook of Applied Hydraulics " oleh Calvin

Victor Davis halaman 908, didapatkan data mengenai tebal dinding pipa ( S ) ,

dan panjang pipa.

3. Perhitungan Kerugian Head ( Head Loss )

Dalam sistem perpipaan sering terjadi adanya kerugian head ( head loss )

sehingga dapat diuraikan sebagai berikut :

1. Kerugian head akibat gesekan didalam pipa pesat

Kerugian head akibat gesekan didalam pipa pesat dapat dihitung dengan

perasaaan sebagi berikut :

Page 31: perancangan turbin pelton

36

Hlf = λL .c2

D .2 g ................................................................................ 1.5

Dimana :

Hlf = kerugian akibat gesekan sepanjang pipa induk

λ = koefisien

L=¿ panjang pipa induk (m)

D = diameter pipa (m)

g = gaya gravitasi (9.81 m/s²)

Harga koefiseien λ dapat dicari dengan persamaan sebagi berikut : (Ref. 1 hal 33 )

λ = koefisien

λ=0,01439+ 0,00947

√c .................................................................... 1.5.1

2. Kerugian head akibat belokan

Kerugian head akibat belokan dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :

Hlb=2. λLe

D.

c2

2 g ........................................................................... 1.6

Dimana :

Hlb = kerugian akibat belokan (m)

Le

D = panjang equivalen didapat dari table lampiran

3. Kerugian Akibat Katup ( Valve )

Kerugiab akibat katup dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :

Hlk= λLe

D.

c2

2 g ............................................................................... 1.7

Page 32: perancangan turbin pelton

37

Dimana :

Le

D = gate valve fully open = 13

Sehingga untuk menentukan total kerugian dapat dihitung dengan sebagai

beerikut :

Hlt = Hlf + Hlb + Hlk.................................................................... 1.7.1

4. Kekuatan Pipa Induk

Untuk menentukan kekuatan dari pipa induk yang digunakan harus diketahui

besarnya tekanan air yang diterima oleh pipa induk, dimana tekanan yang terbesar

terjadi pada ujung pipa induk yang besarnya dapat dicari dengan rumus :

P=h+ C2

2 g ...................................................................................... 1.8

Dimana :

P = tekanan dalam pipa induk ( m H 2 O )

h = tinggi air jatuh (m)

C = kecepatan air dalam pipa induk (m/dt)

g = gaya gravitasi (m/dt²)

Setelah diketahui tekanan yang berada dalam pipa pesat tersebut, sehingga dapat

ditentukan kekuatan yang diijinkan bahan pipa yang besarnya dapat ditentukan

sebagai berikut :

Pi=2 . K1 . S

D .................................................................................. 1.9

Page 33: perancangan turbin pelton

38

Dimana :

S = tebal dinding pipa induk

Pi = tekanan ijin dalam pipa induk

D = diameter pipa

K1 = 60 - 70 % dari Yield Point Stress

Didalam perencanaan pipa pesat, pertimbangan yang perlu dilakukan adalah

dalam hal sebagai berikut :

a. Pemilihan dimensi ekonomis (De) pipa pesat.

b. Perhitungan kehilangan Head.

c. Sambungan dan penyangga pipa

d. efek perubahan