TUGAS KELOMPOK

MESIN KONVERSI ENERGI 2

DISUSUN OLEH TIM :

TURBIN AIR

DOSEN : I Gede eka lesmana,.ST,.MT

FAKULTAS TEKNIK MESIN

UNIV. PANCASILA

JAKARTA

2013

1

PENGERTIAN TURBIN AIR

Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Energi

mekanis diubah dengan generator listrik menjadi tenaga listrik. Berdasarkan prinsip

kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. 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.

Macam Turbin Air

Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, namun yang

paling utama adalah klasifikasi turbin air berdasarkan cara turbin air tersebut merubah

energi air menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini, maka turbin air dibagi

menjadi dua yaitu

1. Turbin impuls

2. Turbin reaksi.

1. Turbin Impuls

Yang dimaksud dengan turbin impuls adalah turbin air yang cara

bekerjanya dengan merubah seluruh energi air (yang terdiri dari energy potensial

+ tekanan + kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetic untuk memutar

turbin, sehingga menghasilkan energi puntir. Contoh: turbin Pelton.

2. Turbin Reaksi

Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang cara

bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi

puntir. Turbin air reaksi dibagi menjadi dua jenis yaitu:

1) Francis, contoh: turbin Francis dan

2

2) Propeller:

a. Sudut tetap (fixed blade), turbin jenis ini merupakan turbin generasi pertama

dari jenis ini. Karena sudu tidak dapat diatur, maka efisiensinya berkurang

jika digunakan pada kisaran debit yang lebar. Oleh karena itu dikembangkan

jenis dengan sudu yang dapat diatur agar efisiensi tetap tinggi walaupun

kisaran debitnya lebar.

b. Sudut dapat diatur (adjustable blade), contoh Kaplan, Nagler, Bulb, Moody

A. Karakteristik Turbin

Untuk dua turbin atau lebih yang mempunyai dimensi yang berlainan

disebut homologous jika kedua turbin atau lebih tersebut sebangun geometri dan

mempunyai karakteristik sama. Karakteristik suatu turbin dinyatakan secara

umum oleh enam buah konstanta yaitu:

1) Rasio Kecepatan (Φ)

2) Kecepatan Satuan (Nu)

3) Debit Satuan (Qu)

4) Daya Satuan (Pu)

5) Kecepatan Spesifik (Ns)

6) Diameter Spesifik (Ds)

1. Rasio Kecepatan

Rasio Kecepatan (Φ) adalah perbandingan antara kecepatan keliling linier

turbin pada ujung diameter nominalnya dibagi dengan kecepatan teoritis air

melalui curat dengan tinggi terjun sama dengan tinggi terjun(Hnetto) yang

bekerja pada turbin.

3

Dengan N adalah putaran turbin rpm (rotasi per menit), D adalah

diameter karakteristik turbin (m), umumnya digunakan diameter nominal, H

adalah tinggi terjun netto/effektif (m).

2. Kecepatan satuan

Kecepatan Satuan ( N ) adalah kecepatan putar turbin yang U

mempunyai diameter ( D ) satu satuan panjang dan bekerja pada tinggi terjun

( H ) satu satuan panjang. Netto Dari Pers.(1.1) diperoleh korelasi

dengan memasukan nilaiD= 1 m danH= 1 m, maka Pers.(1.2) menjadi:

Akhirnya persamaan diatas ditulis sebagai

3. Debit Satuan

Debit yang masuk turbin secara teoretis dapat diandaikan sebagai debit

yang melalui suatu curat dengan tinggi terjun sama dengan tinggi terjun ( H )

yang bekerja pada turbin. Oleh karena itu debit yang netto melalui turbin dapat

dinyatakan sebagai

4

Dengan C adalah koefisien debit. d Debit Satuan ( Q ) adalah debit

turbin yang mempunyai diameter ( D) U satu satuan panjang dan bekerja pada

tinggi terjun ( H ) satu satuan netto panjang. (1.6) Akhirnya Pers.(1.5) dapat

ditulis sebagai:

Akrirnya pers diatas ditulis sebagai :

4. Daya satuan

Daya (P) yang dihasikan oleh turbin dapat dirumuskan:

dengan η adalah efisiensi turbin, γ adalah berat jenis air. Daya Satuan (Pu)

adalah daya turbin yang mempunyai diameter (D) satu satuan panjang dan

bekerja pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan netto panjang

maka persamaan diatas dapat ditulis:

5. Kecepatan Spesifik

Dari persamaan di atas maka dapat ditarik/menghasilkan korelasi :

5

Kecepatan Spesifik (Ns) adalah kecepatan putar turbin yang S menghasilkan

daya sebesar satu satuan daya pada tinggi terjun ( H netto ) satu satuan

panjang. Kecepatan Spesifik ( Ns ) dapat dinyatakan dalam sistim metric S

maupun sistim Inggris, korelasi dari kedua sistim tersebut dinyatakan dalam

Catatan: Satuan daya yang digunakan dalam rumus di atas adalah daya kuda

(DK) atau horse-power (HP)

6. Diameter Spesifik

Dari persamaan diatas ditarik korelasi

Diameter Spesifik (D) adalah diameter turbin yang menghasilkan S daya

sebesar satu satuan daya pada tinggi terjun ( H ) satu satuan netto panjang

Dari persaman diatas dapat ditulis sebagai :

Rumus empiris untuk menghitung diameter spesifik dari diameter1 debit

(discharge diameter, D3) untuk turbin reaksi adalah sebagai berikut:

6

Gambaran ,

Turbin piko merupakan penyederhanaan dari desain Crossflow T15 dibuat

semata-mata untuk menyebarluaskan teknologi yang semestinya dimiliki oleh seluruh

aspek sosial yang ada di masyarakat Indonesia. Turbin ini dikembangkan untuk dapat

menekan biaya produksi sehingga masyarakat di desa-desa yang jauh dari jaringan

PLN dapat ikut menikmati

manfaat energi listrik, seperti

contoh pada gambar dibawah ;

7

(Gambar turbin piko crossflow 100mm(TC100))

Hasil percobaan dengan mengkombinasikan turbin piko dengan motor dari

bekas mesin cuci yang saat ini tersedia cukup banyak (hasil recycle), target yang

dituju adalah turbin yang lebih ringkas, relatif murah dan aman (arus DC), seperti

contoh pada gambar

disamping ;

(Gambar turbin piko crossflow

dengan mengaplikasi motor

dari mesin cuci)

(Lokasi pemasangan sudah

tersedia.. turbin pun telah selesai dipabrikasi.. tinggal memasangnya dan membuat

jaringan ke masyarakat desa. Hal ini tentu membutuhkan dana lebih banyak lagi,

dengan adanya ini semoga dapat bermanfaat demi Indonesia bebas krisis energi, dan

juga mengedepankan energi terbarukan.

B. Pengukuran Head

Pengukuran dilakukan dengan membentangkan meteran dari permukaan air

terjun yang paling atas hingga permukaan jatuhan air paling bawah sehingga

didapatkan panjang sisi miring, untuk sudut kami melakukan foto tegak lurus ke arah

perpotongan meteran dan tali yang digantung batu yang selanjutnya diolah dengan

menggunakan software drawing, seperti coth pada gambar dibawah ;

8

C. Pengukuran Debit

Pengukuran debit dilakukan dengan cara yang sederhana pula yaitu dengan

mengukur kecepatan benda di aliran air sepanjang 6 meter, dalam hal ini kami

menggunakan bunga liar (terimakasih kepada bunga-bunga yang sudah berkorban).

Dari beberapa test kami dapatkan rata-rata 7 detik dibutuhkan bunga liar untuk

mencapai 6 meter atau sekitar 0,86 m/dt, penampang selokan memiliki lebar 30 cm

dan kedalaman air 6 cm sehingga diperoleh luas penampang air 0,018 m2. Debit kami

dapatkan  dengan memformulasikan kecepatan aliran air dikalikan luas penampang

selokan

Q = v x a

Q = 0.86m/dt x 0.018m2 = 0,0154m3/dt ~ 15 l/dt

Analisa optimis kami untuk daya yang terbangkitkan:

P = H x Q x g x 50%

= 15m x 15l/dt x 9,8m/dt2 x 0,5

9

= 1102,5 watt

Dari energi yang terbangkitkan berharap dapat menerangi sekitar 20 rumah masing-

masing 50 watt.

D. Bahan

Bahan yang dipergunakan dalam turbin air skala kecil sangat mudaha di dapat

dan tentunya dari segi biaya juga tidak terlalau mahal, sebagai contohnya saja untuk

membuat tubin piko crossflow 100mm(TC100), turbin untuk mengubah energi

potensial air menjadi energi mekanis, dan energi mekanis diubah generator menjadi

tenaga listrik.

E. Konstruksi

1. TurbinTurbin mengubah energi pada air yang jatuh ke dalam terowongan-

terowongan daya. Ada berbagai macam tipe turbin yang bisa dikategorikan

menjadi beberapa cara. Pilihan turbin utamanya akan tergantung pada tekanan

head yang ada dan pada aliran desain untuk pemasangan pembangkit listrik

tenaga air yang diajukan. Seperti yang ditunjukkan pada berikut, turbin dibagi

menjadi tiga kelompok; head tinggi, sedang, dan rendah, dan menjadi dua

kategori: impuls dan reaksi. Perbedaan antara impuls dan reaksi bisa

dijelaskan dengan menyatakan bahwa turbin impuls mengubah energi kinetik

semburan air menjadi gerakan yang mengenai ember atau bilah turbin.

10

Turbin kecil (umumnya dibawah 10 MW) mempunyai poros

horisontal, dan kadang dipakai juga pada kapasitas turbin mencapai 100 MW.

Turbin

Prinsip

Runner

Tekanan Head

Tinggi Sedang Rendah

Impuls

Pelton TurgoCrossflow

TurgoCrossflow

Pelton Multi

JetPelton Muti Jet

Reaksi

Francis Pump-as-

turbin

(PAT)

Propeller

Kaplan

Tabel 2. Gambaran berbagai macam turbin.

Jenis-jenis turbin yang biasa digunakan pada turbin air skala kecil

adalah Cross-Flow, Propeller, Pelton dan PAT (Pump as Turbine). Pemilihan

turbin disesuaikan dengan besarnya head dan kecepatan aliran air (debit air),

seperti yang terdapat pada grafik di atas. Hal ini dimaksudkan untuk menjaga

kinerja turbin (kapasitas) dan hasil keluarannya.

2. Turbin Kaplan & 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.

11

Gambar 1.11. Turbin Kaplan

1. 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 litres/sec hingga 10 m3/sec

dan head antara 1 s/d 200 m.

Gambar 1.9. Turbin CrossflowTurbin Zcrossflow menggunakan nozle persegi panjang yang lebarnya

sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu

sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Air mengalir

keluar membentur sudu dan memberikan energinya (lebih rendah dibanding

12

saat masuk) kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari

beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel.

Gambar 1.10. Turbin Crossflow

2. Transmisi Mekanik

Air memasuki turbin, kemudian diarahkan oleh salah satu baling-

baling pengarah yang terletak di bagian arus atas dari runner, dan melewati

tahapan pertama runner yang berputar penuh dengan derajat reaksi yang

kecil.Turbin Kaplan dan baling-baling adalah turbin reaksi dengan aliran

aksial, biasanya digunakan untuk head-head rendah. Turbin Kaplan memiliki

bilah runner yang bisa disesuaikan atau tidak memiliki baling-baling pemandu

yang bisa disesuaikan. Jika bilah dan baling-baling pemandu bisa disesuaikan

maka turbin ini disebut dengan turbin pengaturan ganda. Jika baling-baling

pemandunya adalah tetap maka disebut dengan turbin pengaturan tunggal.

Turbin baling-baling yang tidak berpengaturan biasanya digunakan ketika

aliran dan head secara praktis tetap konstan.

Turbin Kaplan pengaturan ganda, seperti yang digambarkan adalah

mesin dengan sumbu vertikal yang memiliki tempat berupa gulungan dan

konfigurasi pintu kecil berbentuk lingkaran. Aliran memasuki bagian

lingkaran secara memutar dan membelok pada sudut yang tepat sebelum

memasuki runner pada arah aksial. Sistem kontrolnya dirancang sedemikian

rupa sehingga variasi pada sudut bilah digabungkan dengan pengaturan

balingbaling pemandu untuk mendapatkan efisiensi yang terbaik pada

berbagai macam aliran. Bilahbilah ini bisa memutar bersama turbin saat

beroperasi, yaitu melalui sambungan yang terhubung pada tangkai vertikal

yang berada di dalam lubang sumbu turbin. Unit bola diperoleh dari turbin

13

Kaplan, dengan generator yang berada di dalam bola tahan air yang terendam

di dalam aliran.

3. Generator

Generator mengubah energi mekanis menjadi energi listrik.

Tergantung pada karakteristik jaringan yang dipasok, produsen bisa memilih

antara: Generator sinkronus yang dilengkapi dengan sistem eksitasi DC (rotasi

atau statis) yang terkait dengan regulator tegangan, untuk memberikan

tegangan, frekuensi dan control sudut fase sebelum generator disambungkan

ke jaringan dan memasok energi reaktif yang diperlukan oleh sistem tenaga

ketika generator telah disambungkan ke jaringan. Generator ansinkronus

adalah motor induksi sederhana yang tidak menggunakan pengaturan voltase

dan berjalan pada kecepatan yang secara langsung terkait dengan frekuensi

sistem. Mereka menarik arus eksitasinya dari jaringan, sehingga menyerap

energi reaktif dari magnetismenya sendiri. Efisiensi generator ansinkronus

adalah 2 sampai 4 per sen di bawah efisiensi generator sinkronus selama

seluruh kisaran operasi. Secara umum, ketika daya melebihi 5000 kVA maka

generator sinkronus perlu dipasang. Tegangan kerja dari generator bervariasi

sesuai dengan dayanya. Tegangan pembangkitan standard adalah 380 V atau

430 V sampai dengan 1400 kVA dan 6000/6600 untuk pembangkit yang lebih

besar. Pembangkitan pada tegangan 380 V atau 430 V memungkinkan

penggunaan transformer distribusi strandard sebagai transformer saluran

keluar dan penggunaan arus buatan untuk memasok ke dalam sistem daya

pembangkit.

4. Sistem Kontrol dan Proteksi

Sistem kontrol yang digunakan pada perencanaan menggunakan

pengaturan beban sehingga jumlah output daya generator selalu sama dengan

beban. Apabila terjadi penurunan beban di konsumen, maka beban tersebut

akan dialihkan ke sistem pemanas udara (Air Heater Ballast Load) atau

(Water Heater Ballast Load) yang dikenal sebagai ballast load (Elektronik

Load Controller) atau dumy load.

14

5. Transmisi Distribusi

System transmisi daya yang dihasilkan terdiri dari beberapa komponen

utama, antara lain trave step-up kelas menengah, tiang, kabel, dll. Jaringan

distribusi merupakan pendistribusian daya ke rumah-rumah atau konsumen

yang dilengkapi dengan sebuah KWh meter, instalasi rumah, dll.

15

Kesimpulan

Turbin air yang merupakan perkembangan dari kincir air, merupakan

turbin yang teknologinya termasuk paling sederhana, dibandingkan dengan turbin gas

maupun turbin uap. Kelebihan lain yang dimilikinya adalah sumber energi yang

dimanfaatkan adalah energi alternative yang terbaharui, dan tersedia di alam dan

dapat dimanfaatkan secara langsung. Dari beberapa kelebihan yang dimilikinya,

turbin air sangat ideal digunakan sebagai pusat pem-bangkit tenaga dari kapasitas

kecil sampai besar, apabila tersedia sumber energi airnya. Dengan syarat bahwa tidak

terjadi perusakan lingkungan yang berakibat kepada habisnya sumber energi air

tersebut.

16

Daftar Pustaka

Wibowo Paryatmo, TURBIN AIR, Graha ilmu, Jakarta. 2007

Djoko Luknanto, Bangunan Tenaga Air. Materi Diklat

Emil Mosonyi, Akadémiai Kiadó, Budapest, Water Power Development, Volume One,

Low–Head Power Plants hal. 655

Marthen Sattu Sambo, Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH)

Sumber. http://en.wikipedia.org/wiki/Kaplan_turbine

Sumber: http://home.carolina.rr.com/microhydro

Sumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf

17