Turbin Impuls i
128
Turbin Impuls i
Transcript of Turbin Impuls i
Turbin Impuls i
ii Turbin Impuls
Hak Cipta pada penulis Hak Penerbitan pada penerbit
dilarang memperbanyak/memproduksi sebagian atau seluruhnya dalam bentuk apapun tanpa izin tertulis
dari pengarang dan/atau penerbit.
Kutipan pasal 72: Sanksi pelanggaran Undang-undang Hak Cipta
(UU No. 10 Tahun 2012) 1. Barangsiapa dengan sengaja dan tanpa hak melakukan perbuatan
sebagaimana dimaksud dalam Pasal 2 ayat (1) atau Pasal (49) ayat (1) dipidana dengan pidana penjara masing-masing paling singkat 1 (satu) bulan dan/(atau) denda paling sedikit Rp. 1.000.000,00 (satu juta rupiah), atau pidana penjara paling lama 7 (tujuh) tahun dan atau dendan paling banyak Rp. 5.000.000.000,00 (lima milyar rupiah).
2. Barang siapa dengan sengaja menyiarkan, memamerkan, mengedarkan, atau menjual kepada umum suatu ciptaan atau barang hasil pelanggaran Hak Cipta sebagaimana dimaksud dalam ayat (1), dipidana dengan pidana paling lama 5 (lima) tahun dan/ atau denda paling banyak Rp. 500.000.000,- (lima ratus juta rupiah).
Turbin Impuls iii
TURBIN
IMPULS
Penulis
Mafruddin, S.T., M.T.
Dwi Irawan, S.T., M.T.
iv Turbin Impuls
TURBIN IMPULS
Penulis
Mafruddin, S.T., M.T.
Dwi Irawan, S.T., M.T.
Desain Cover
Team Laduny Creative
Lay Out
Team Laduny Creative
ISBN. 978-623-7829-33-1
14,8 x 21 cm; x + 128 hal
Cetakan Pertama, Agustus 2020
Dicetak dan diterbitkan oleh:
CV. LADUNY ALIFATAMA (Penerbit Laduny)
Anggota IKAPI
Jl. Ki Hajar Dewantara No. 49 Iringmulyo, Metro – Lampung.
Telp. 0725 (7855820) - 0811361113
Email: [email protected]
Turbin Impuls v
PRAKATA
Puji dan syukur Alhamdulillah penulis haturkan
Kehadirat Allah SWT atas berkat Rahmad dan Hidayah serta
Pertolongan-Nya penulis dapat menyelesaikan pembuatan buku
ajar dengan judul „Turbin Impuls‟.
Buku ajar ini membahas tentang sumber energi
terbarukan khusunya energi yang bersumber dari air dengan
menggunakan alat konversi energi berupa turbin air. Dalam
buku ini dibahas tentang teori dasar turbin air Cross-flow dan
turbin air Pelton secara keseluruhan yang dimulai dari teori
dasar konversi energi, dasar-dasar perencanaan turbin sampai
dengan pengujian turbin (Cross-Flow dan Pelton).
Buku ajar ini merupakan hasil dari beberapa penelitian
yang telah dilakukan oleh penulis tentang turbin Cross-flow
dan turbin Pelton dengan memvariasikan beberapa variabel
bebas seperti perbandingan diameter, jumlah sudu, sudut sudu,
sudut serang nosel dan jari-jari runner terhadap kinerja turbin.
Penggunaan buku ajar ini juga dapat menunjang kegiatan
proses pembelajaran bagi mahasiswa terutama pada mata
kuliah konversi energi serta energi terbarukan dan khususnya
bagi mahasiswa yang sedang menyelesaikan tugas akhri
tentang turbin Cross-Flow dan turbin Pelton.
Penulis berharap buku ajar tentang turbin Cross-flow dan
dan turbin Pelton ini dapat digunakan sebagai acuan dalam
pengembangan ilmu pengetahuan sehingga dapat memberikan
kontribusi keilmuan dan sebagai informasi yang bernilai dan
berdaya guna bagi kehidupan umat manusia dimasa yang akan
datang.
Penulis juga menyampaikan permohonan maaf apabila
terdapat kesalahan dalam penulisan buku ajar ini.
Terima kasih.
vi Turbin Impuls
DAFTAR ISI
HAL SAMPUL ........................................ Error! Bookmark not defined.
PRAKATA .......................................................................................... i
DAFTAR ISI ..................................................................................... vi
DAFTAR TABEL ........................................................................... viii
DAFTAR GAMBAR ......................................................................... ix
BAB I PENDAHULUAN ................................................................. 1
1.1 Sejarah Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) ........... 1
1.2 Pembangkit Listrik Tenaga Air ...................................... 4
1.3 Potensi PLTA di Indonesia ............................................ 7
1.4 Klasifikasi PLTA ........................................................... 9
1.5 Rangkuman .................................................................. 11
BAB II PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO.... 12
2.1 Pembangkit Liastrik Tenaga Mikro Hidro ................... 12
2.2 Kelebihan dan kelemahan PLTMH .............................. 13
2.3 Komponen PLTMH ..................................................... 15
2.4 Skema PLTMH ............................................................ 16
2.5 Pertimbangan Desain PLTMH ..................................... 18
2.6 Rangkuman .................................................................. 25
BAB III TURBIN AIR .................................................................... 26
3.1 Pengertian Turbin Air .................................................. 26
3.2 Komponen turbin air .................................................... 26
3.3 Prinsip Kerja Turbin Air .............................................. 27
3.4 Klasifikasi Turbin Air .................................................. 28
3.5 Rangkuman .................................................................. 30
BAB IV JENIS TURBIN AIR ........................................................ 31
4.1 Turbin Implus ............................................................... 31
4.2 Turbin Reaksi ............................................................... 35
Turbin Impuls vii
4.2 Perbandingan Karakteristik Turbin .............................. 38
4.3 Rangkuman .................................................................. 40
BAB V TURBIN AIR CROSS-FLOW ............................................ 41
5.1 Pengertian Turbin Cross-flow ...................................... 41
5.2 Komponen Turbin Cross-flow ...................................... 43
5.3 Jenis-Jenis Turbin Air Cross-flow ................................ 45
5.4 Perancangan Turbin Cross-flow ................................... 48
5.4.1 Perencanaan Penstocks .............................................. 48
5.4.2 Dasar Teori turbin Cross-flow ................................... 49
5.4.3 Perhitungan Daya Air ................................................ 58
5.4.4 Efisiensi Turbin Secara Teoritis ................................. 65
5.4.5 Perencanaan Runner .................................................. 76
5.5 Daya Yang Dihasilkan Turbin...................................... 88
5.6 Efisiensi Turbin ............................................................ 90
5.7 Daya Listrik Generator ................................................. 91
5.8 Efisiensi Sistem Pembangkit ........................................ 91
5.9 Rangkuman .................................................................. 93
BAB V TURBIN PELTON ............................................................. 96
5.1 Turbin Pelton ............................................................... 96
5.2 Prinsip Kerja Turbin Pelton ......................................... 98
5.3 Tipe Turbin Pelton ....................................................... 99
5.4 Kelebihan turbin Pelton ............................................. 100
5.5 Komponen Turbin Pelton ........................................... 101
5.6 Pengujian Turbin Pelton ............................................ 111
5.7 Rangkuman ................................................................ 113
DAFTAR PUSTAKA .................................................................... 115
viii Turbin Impuls
DAFTAR TABEL Tabel 1. Potensi Energi Terbarukan (Air) Di Indonesia ..................... 8
Tabel 2. Potensi Sungai di Indonesia .................................................. 9
Tabel 3. Pembangunan PLTMH ......................................................... 9
Tabel 4. Klasifikasi pembangkit listrik tenaga air ............................ 10
Tabel 5. Kapasitas Terpasang Pembangkit Tenaga Listrik Nasional17
Tabel 6. Aplikasi Turbin Dengan Klasifikasi Head ......................... 29
Tabel 7. Tabel Kekasaran Pipa ......................................................... 61
Turbin Impuls ix
DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Bendungan Hoover .......................................................... 2
Gambar 2. Bendungan Grand Coulee ............................................... 3
Gambar 3. Bendungan Itaipu ............................................................ 4
Gambar 4. Three Gorges Dam .......................................................... 6
Gambar 5. Skema PLTMH .............................................................. 18
Gambar 6. Klasifikasi Turbin Mikro Hidro ..................................... 28
Gambar 7. Turbin Pelton ................................................................. 32
Gambar 8. Turbin Cross-flow .......................................................... 34
Gambar 9. Turbin Turgo .................................................................. 35
Gambar 10. Turbin Francis ............................................................. 37
Gambar 11. Turbin Kaplan .............................................................. 38
Gambar 12. Grafik Perbandingan Karakteristik Turbin .................. 39
Gambar 13. Konstruksi Turbin Cross-flow ..................................... 43
Gambar 14. Aliran Masuk Turbin Cross-flow ................................. 44
Gambar 15. Runner Turbin Cross-Flow .......................................... 45
Gambar 16. Turbin Cross-flow Kecepatan Rendah ......................... 45
Gambar 17. Turbin Cross-flow Kecepatan Tinggi .......................... 46
Gambar 18. Turbin Cross-flow Vertical .......................................... 47
Gambar 19. Turbin Cross-flow Horizontal ...................................... 47
Gambar 20. Turbin Cross-flow posisi miring .................................. 48
Gambar 21. Air melalui sudu runner dan diagram kecepatan ......... 53
Gambar 22. Diagram Segitiga Kecepatan ....................................... 55
Gambar 23. Diagram Moodychat .................................................... 61
Gambar 24. Jenis Geometri nosel .................................................... 63
Gambar 25. Definisi sketsa untuk sistem koordinat silinder ........... 68
Gambar 26. Diagram kecepatan ...................................................... 81
Gambar 27. Diagram Kecepatan Gabungan .................................... 82
Gambar 28. Diagram kecepatan sisi keluar dan masuk ................... 83
Gambar 29. Jarak (spasi) Sudu ........................................................ 84
x Turbin Impuls
Gambar 30. Jari-Jari Kelengkungan Sudu ....................................... 86
Gambar 31. Rope brake ................................................................... 89
Gambar 32. Turbin Pelton ............................................................... 97
Gambar 33. Turbin Pelton Poros Horizontal ................................... 99
Gambar 34. Turbin Pelton Poros Vertikal ..................................... 100
Gambar 35. Komponen Turbin Pelton .......................................... 103
Gambar 36. Runner Turbin Pelton ................................................ 105
Gambar 37. Sudu turbin Pelton ..................................................... 107
Gambar 38. Dimensi Sudu turbin Pelton ....................................... 107
Turbin Impuls 1
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Sejarah Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA)
Pemanfaatan tenaga air untuk membantu pekerjaan
manusia sudah mulai digunakan sejak zaman dahulu.
Pemanfaatan tenaga air digunakan untuk menggiling gandum
dan untuk melakukan pekerjaan lainnya. Pada awal tahun 1770
M, seorang insinyur Prancis yang bernama Bernard Forest de
Belidor mempublikasikan Arsitektur Hidraulik (Architecture
Hydraulique). Dimana dalam publikasi tersebut dijelaskan
tentang mesin-mesin hidrolik dengan sumbu vertikal dan
sumbu horizontal.
Pada akhir dari abad ke-19 M generator listrik mulai
berkembang dan dipasang dengan mesin hidrolik dengan
penggerak yang bersumber dari tenaga air. Pada tahun 1878,
pembangkit listrik dengan sumber tenaga dari air pertama
dunia dikembangkan oleh seorang ilmuan yang bernama
William George Armstrong di Cragside, Northumberland, dari
negara Inggris. Pembangkit listrik yang dihasilkan dari tenaga
air kemudian digunakan untuk menyalakan sebuah lampu
busur.
Amerika merupakan salah satu negara yang juga
mengembangkan pembangkit listrik tenaga air. Pada tahun
1881 pembangkit tenaga air atau Pembangkit Listrik
Schoelkopf Stasiun No. 1 yang berada didekat Air Terjun
Niagara di Amerika Serikat mulai dikembangkan dan
memproduksi energi listrik.
Pembangkit listrik dengan sumber tenaga dari air
kemudian dikembangkan oleh Edison. Pembangkit listrik
pertama yang dibuat oleh Edison yaitu pembangkit Vulcan
Street. Pembangkit listrik buatan Edison mulai beroperasi pada
tanggal 30 September tahun 1882 yang berada di Appleton,
2 Turbin Impuls
Wisconsin, dengan keluaran yang mampu dihasilkan sebesar
12.5 kW.
Tidak hanya berhenti pada titik tersebut, tetapi
pembangkit listrik tenaga air semakin terus mengalami
perkembangan hingga pada abad ke-20 M. Perkembangan ini
didasari pada kelebihan yang dimiliki oleh pembangkit listrik
tenaga air itu sendiri. Pembangkit tenaga yang bersumber dari
air disebut dengan “batu bara bersih”. Istilah tersebut
didasarkan karena energi yang dihasilkan oleh pembangkit
listrik tenaga air lebih ramah lingkungan karena tidak
mncemari lingkungan dan juga ketersediaannya yang sangat
banyak serta dapat diperbaharui. Ketersediaan sumber tenaga
air akan tetap ada jika lingkungan tetap dijaga kelestariannya.
Gambar 1. Bendungan Hoover
Bendungan Hoover merupakan bendungan yang berada
di Black Canyon atau lebih tepatnya di sungai Colorado.
Bendungan Hoover berada tepat di perbatasan antara dua
Turbin Impuls 3
negara yaitu negara bagian Arizona dan Nevada. Pembangunan
konstruksi bendungan Hoover selesai pada tahun 1935.
Bendungan Hoover merupakan salah satu bendungan yang
dibangun untuk pembangkit listrik atau produsen energi listrik
terbesar didunia dan struktur bangunan terbesar didunia.
Bendungan Hoover merupakan salah satu pembangkit listrik
dengan kapasiitas daya listrik yang mampu dihasilkan yaitu
1.345 MW. Bendungan Hoover merupakan pembangkit listrik
terbesar ketika dibuka dan beroperasi tahun 1936 M.
Bendungan Grand Coulee adalah bendungan yang juga
digunakan sebagai pembangkit listrik tenaga air atau
hidroelektrik. Bendungan Grand Coulee berada di sungai
Columbia, yang merupakan negara bagian Washington di
Amerika Serikat. Bendungan Grand Coulee adalah pembangkit
listrik terbesar dan juga strukturnya yang terbesar yang berada
di Amerika Serikat,. Bendungan Grand Coulee adalah
pembangkit listrik dengan kapasitas daya listrik yang
dihasilkan sebesar 6809 MW tahun 1942.
Gambar 2. Bendungan Grand Coulee
4 Turbin Impuls
Bendungan Itaipu merupakan bendungan yang juga
digunakan atau diaplikasikan sebagai Pembangkit Listrik
Tenaga Air atau Hidroelektrik. Bendungan itaipu berada di
Sungai Paraná yang terletak di perbatasan antara Brasil dan
Paraguay. Pembangunan bendungan ini adalah usaha dari
kedua negara atau binasional yang dijalankan oleh Brasil dan
Paraguay dan Selesai pada tahun 1984. Pembangkit listrik
tenaga air dari Bendungan Itaipu mampu menghasilkan energi
paling besar didunia pada tahun 2016 dan mampu menetapkan
rekor dunia baru dengan daya listrik yang dihaislkan yaitu
103.098.366 (MWh). Pembangkit listrik Bendungan Itaipu
melampaui pembangkit listrik Dam Tiga Ngarai dalam
produksi energi pada 2015 dan 2016.
Gambar 3. Bendungan Itaipu
1.2 Pembangkit Listrik Tenaga Air
Pembangkit listrik tenaga air atau yang biasa dikenal
dengan PLTA adalah salah satu jenis sumber energi mekanik
yang pertama yang digunakan oleh manusia. PLTA juga
merupakan salah satu sumber daya energi khususnya energi
Turbin Impuls 5
terbarukan yang paling di dunia. Penggunaan energi mekanik
dari turbin untuk menggerakkan pabrik dan menggiling
gandum dan keperluan lainnya dikenal di negara China selama
abad ke-1.
Pembangkit listrik tenaga air merupakan salah satu
bentuk sumber daya energi terbarukan yang bersumber dari
tenaga air. Tentunya tenaga air yang bisa dimanfaatnkan yaitu
air yang mengalir atau air terjun, karena didalam air yang
mengalir atau aur terjum terdapat sumber energi yang dapat
dikonversi menjadi bentuk energi yang lainnya seperti energi
mekanik dan energi listrik.
Sistem listrik yang bersumber dari tenaga air pertama
dikembangkan dan digunakan pada tahun 1880 M. Berdasarkan
informasi yang diperoleh dari lembaga energi internasional
(IEA), pembangkit listrik tenaga air atau PLTA dengan skala
yang besar pada saat ini mampu memberikan suplai energi
listrik mencapai 16% dari kebutuhan akan energi listrik di
dunia.
Pembangkit listrik tenaga air atau PLTA merupakan
pembangkit listrik yang menggunakan energi air baik energi
potensial dan maupun energi kinetik untuk memproduksi dan
menghasilkan energi listrik. Sehingga debit air akan sangat
berpengaruh terhadap jumlah energi listrik yang dihasilkan.
Pembangkit listrik terus mengalami perkembangan karena
merupakan pembangkit listrik yang ramah lingkungan. Hingga
pada tahun 2015 M pembangkit listrik tenaga air mampu
memproduksi energi listrik sebesar 16.6% dari total energi
listrik dunia. Pembangkit listrik tenaga air merupakan
pembangkit listrik yang bersumber dari energi terbarukan yang
paling baik. Hal tersebut dapat terjadi karena energi listrik yang
bersumber dari tenaga air mampu menghasilkan dan
memproduksi energi sebesar 70% dari seluruh energi
terbarukan. PLTA diperkirakan akan terus mengalami kenaikan
sebesar 3.1% per tahun sampai dengan 25 tahun kedepan.
6 Turbin Impuls
Pembangkit listrik tenaga air yang dihasilkan dari 150 negara
dan kawasan Asia-Pasifik mampu menghasilkan 33% dari
tenaga air global tahun 2013 M. China merupakan salah satu
negara di kawasan asia yang merupakan produsen terbesar.
China adalah produsen pembangkit listrik tenaga air terbesar
yang mampu menghasilkan energi listrik sebesar 920 TWh
pada tahun 2013 M. Dari pembangkit tersebut China mampu
menyumbang energi sebesar 16,9% dari kebutuhan listrik
domestik. Biaya yang diperlukan untuk pembangkit listrik
tenaga air relatif rendah jika dibandingkan dengan sumber
energi yang lain sehingga menjadikannya sebagai salah
sumber yang kompetitif khususnya untuk sumber energi
terbarukan. Pembangkit listrik tenaga air hanya memanfaatkan
energi dari air dan tidak menghabiskan air itu sendiri, lain
halnya seperti pembangkit listrik batu bara atau gas yang
menghabiskan bahan bakar itu sendiri. Pembangkit listrik
tenaga air merupakan salah satu dari pembangkit listrik yang
fleksibel karena menggunakan bendungan dan reservoir
sehingga energi listrik yang dihasilkan dapat dinaikkan atau
diturunkan sehingga dapat disesuai dengan kebutuhan.
Gambar 4. Three Gorges Dam
Turbin Impuls 7
Pembangkit listrik tenaga air atau PLTA adalah
pembangkit listrik yang ramah lingkungan karena tidak
menghasilkan gas buang, sehingga pembangunan pembangkit
listrik pada suatu wilayah tidak akan menghasilkan limbah
langsung maupun gas rumah kaca. Komponen utama dalam
pembangkit listrik tenaga air yaitu turbin dan generator. Turbin
air alat yang diguanakan sebagai mesin konversi energi kinetik
air menjadi energi mekanik. Sedangkan generator merupakan
mesin konversi energi mekanik dari turbin menjadi energi
listrik. Generator yang dihubungkan ke turbin menggunakan
transmisi tertentu yang disesuaikan dengan putaran turbin dan
generator itu sendiri. Namun ada sebagian turbin yang tidak
menggunakan transmisi tetapi langsung terhubung dengan
generator.
Dalam pemanfaatan secara luas, pembangkit listrik tidak
hanya menggunakan waduk atau air terjun, tetapi dalam bentuk
lain seperti pembangkit listrik yang menggunakan tenaga
tenaga ombak yang sudah banyak digunakan di Kanada.
1.3 Potensi PLTA di Indonesia
Indonesia adalah salah satu negara dari sekian banyak
negara yang memiliki potensi sumber daya air yang cukup
banyak. Menurut Hydro Power Potential Study (HPPS) potensi
tenaga air di Indonesia pada tahun 1983 mencapai 75 GW.
Besarnya potensi air tersebut harus diimbangi dengan
pengelolaan lingkungan yang baik, sehingga potensi tersebut
dapat dijaga kelestariannya. Jika potensi tersebut tidak dijaga
kelestariannya bukan tidak mungkin sumber daya air tersebut
lama kelamaan akan menurun dan habis.
Indonesia merupakan salah satu negara yang sangat kaya
akan sumber energi air namun saat ini pemanfaatannya belum
maksimal. Inilah yang menjadi tugas kita beersama untuk
meningkatkan pemanfaatan sumber energi tersebut. Jika
pemanfaatan energi air dilakukan secara maksimal dan meluas
8 Turbin Impuls
diseluruh wilayah yang ada di Indonesia maka peluang untuk
keluar dari krisis energi akan semakin besar.
Menurut Kementerian ESDM (Energi dan Sumber Daya
Mineral) potensi Pembangkit Listrik Tenaga Mini (PLTM) atau
Makro Hidro (PLTMH) yang ada di Indonesia yaitu mencapai
770 MW. Selain potensi PLTM atau PLTMH Indonesaia juga
mempunyai potensi PLTA (Potensi Pembangkit Listrik Tenaga
Air) yang cukup besar yaitu diperkirakan sebesar 75.000 MW.
Namun hal yang sangat disayangkan dari potensi yang besar
tersebut hany sekitar 6 persen saja yang sudah dikembangkan
dan dimanfaatkan secara maksimal.
Tabel berikut menjelaskan potensi sumber energi
terbarukan (energi air) yang ada di Indonesia.
Tabel 1. Potensi Energi Terbarukan (Air) Di Indonesia
No Pulau Potensi (MW)
1 Sumatera 15.600
2 Jawa 4.200
3 Kalimantan 21.600
4 Sulawesi 10.200
5 Bali-NTT-NTB 620
6 Maluku 430
7 Papua 22.350
Jumlah 75.000
Sumber: (KESDM, 2014)
Jika pemanfaatan sumber energi air di indonesia dapat
dimaksimalkan maka sangat besar kemungkinan Indonesia
akan mampu mengatasi kelangkaan energi khususnya energi
listrik. Selain itu dengan pemanfaatan energi air sebagai
PLTMH juga akan berdampak pada penurunan efek rumah
kaca atau pemanasan global yang disebabkan oleh gas buang
kendaraan bermotor.
Turbin Impuls 9
Tabel berikut ini menjelaskan jumlah sungai di Indonesia
yang memiliki daerah pengaliran lebih dari 100 km2 dan dapat
dimanfaatkan sebagai PLTMH sebagai berikut.
Tabel 2. Potensi Sungai di Indonesia
Pulau Jumlah Sungai
Sumatera 11
Jawa 51
Kalimantan 10
Sulawesi 38
Sumber: (Sukardi, 2018)
Peluang untuk memanfaatkan potensi sumber daya air
sebagai PLTMH sebenarnya telah mampu dibaca dengan baik
oleh para investor dan beberapa pihak terkait. Hal ini dapat
dibuktikan dengan terus dilakukannya pembangunan PLTMH
sebagai sumber energi terbarukan. Berdasarkan sumber laman
resmi statistika EBTKE Kementrian ESDM, telah tercatat
sebanyak 47 titik lokasi PLTMH yang akan dibangun dengan
total kapasitas 2.605,76 MW.
Tabel 3. Pembangunan PLTMH
Lokasi Jumlah Kapasitas
Pulau Sumatera 15 Titik 404.4 kw
Pulau Jawa 2 Titik 39.4 kw
Pulau Kalimantan 4 Titik 498.9 kw
Kepulauan Nusa Tenggara 10 Titik 628 kw
Pulau Sulawesi 6 Titik 222.7 kw
Pulau Papua 10 Titik 812.36 kw
Sumber: (KESDM, 2014)
1.4 Klasifikasi PLTA
Pada dasarnya setiap pembangkit listrik tenaga air
memiliki kapasitas yanmg berdeba-beda dalam memproduksi
10 Turbin Impuls
dan menghasilkan energi listrik. Jika ditinjau dari kapasitas
daya listrik yang mampu dihasilkan maka pembangkit listrik
tenaga air atau PLTA dapat dikelompokan kedalam beberapa
klasifikasi.
Tabel 4. Klasifikasi pembangkit listrik tenaga air
Tipe Kapasitas
Large-hydro
Medium-hydro
Small-hydro
Mini-hydro
Micro-hydro
Pico-hydro
≥100 MW
15-100 MW
1-15 MW
100 kW - 1MW
5 kW – 100 kW
Berapa ratus watt – 5 kW
Sumber : (Baskoro dan Aria Pranedya, D. 2015)
Turbin Impuls 11
1.5 Rangkuman
Pemanfaatan tenaga air sebagai penggerak telah
digunakan untuk menggiling gandum dan untuk melakukan
pekerjaan lainnya oleh manusia sejak zaman dahulu. Pada
akhir abad ke-19 M generator listrik mulai dikembangkan dan
dipasangkan dengan mesin hidrolik dengan penggerak yang
bersumber dari tenaga air. Pada tahun 1878, pembangkit listrik
dengan sumber tenaga dari air pertama dunia dikembangkan
oleh William George Armstrong di Cragside, Northumberland,
Inggris. Pembangkit listrik tenaga air (PLTA) merupakan salah
satu sumber energi mekanik yang pertama yang digunakan oleh
manusia dan sumber daya energi terbarukan tertua didunia.
Menurut Kementerian ESDM (Energi dan Sumber Daya
Mineral) potensi Pembangkit Listrik Tenaga Mini (PLTM) atau
Makro Hidro (PLTMH) yang ada di Indonesia yaitu mencapai
770 MW. Selain potensi PLTM atau PLTMH Indonesaia juga
mempunyai potensi PLTA (Potensi Pembangkit Listrik Tenaga
Air) yang cukup besar yaitu diperkirakan sebesar 75.000 MW.
Namun hal yang sangat disayangkan dari potensi yang besar
tersebut hany sekitar 6 persen saja yang sudah dikembangkan
dan dimanfaatkan secara maksimal. Klasifikasi pembangkit
listrik tenaga air berdasarkan kapasitas energi listrik yang
mempau dihasilkan yaitu Large-hydro, Medium-hydro, Small-
hydro, Mini-hydro, Micro-hydro dan Pico-hydro.
12 Turbin Impuls
BAB II PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA
MIKRO HIDRO
2.1 Pembangkit Liastrik Tenaga Mikro Hidro
Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro atau yang umum
disingkat dengan PLTMH merupakan salah satu alternatif
sumber pembangkit energi terbarukan. Pada umumnya
Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro atau PLTMH adalah
pembangkit listrik yang bersumber dari tenaga air yang
menggunakan prinsip "run-of-river". Pada prinsip run-of-rifer
untuk memperoleh atau mendapatkan tinggi jatuh air atau head
dilakukan dengan mengalihkan sebagian aliran air sungai
melalui pipa saluran kesalah satu sisi sungai. Pengalihan aliran
air tersebut akan disesuaikan dengan kebutuhan atau sesuai
dengan kapasitas daya listrik yang akan dihasilkan dari
PLTMH tersebut. Dengan dasar tersebut maka PLTMH tidak
dilakukan dengan membangun bendungan yang besar.
Kapasitas daya listrik yang mampu dihasilkan PLTMH
berada pada kisaran 5 sampai 100 kW, sehingga menempatkan
PLTMH pada salah satu tipe terkecil dari pembangkit listrik
tenaga air selain pico hydro. Daya listrik yang dihasilkan
PLTMH tidak akan maksimal tidak didasarkan pada
perencanaan yang matang. Untuk melakukan perencanaan yang
matang diperlukan data-data mengenai kondisi dimana
PLTMH akan diaplikan. Data yang diperlukan diantaranya
yaitu debit air dan head. Data tersebut dapat diperoleh dengan
melakukan identifikasi atau observasi dengan waktu yang
cukup lama dan berbagai musim (penghujan dan kemarau),
sehingga data yang didapat akan akurat. Jika observasi hanya
dilakukan pada waktu tertentu tidak akan memperoleh data
yang akurat karena ketika berbeda musim maka data hasil
observasi juga akan berbeda-beda.
Turbin Impuls 13
Selain itu, dampak dari pembangunan PLTMH terhadap
ekosistem lingkungan juga perlu dipertimbangkan, sehingga
pembangunan PLTMH tidak akan memberikan dampak negatif
terhadap lingkungan.
2.2 Kelebihan dan kelemahan PLTMH
Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro atau PLTMH
merupakan pembangkit listrik yang paling ramah lingkungan
karena tidak menghasilkan gas buang. Dengan tidak
menghasilkan gas buang maka PLTMH tidak akan mencemari
lingkungan. Ada beberapa keuntungan penggunaan turbin air
sebagai PLTMH diantaranya sebagai berikut:
a. Merupakan sumber energi terbarukan
PLTMH merupakan salah satu dari pembangkit listrik
dengan sumber energi utamanya adalah energi air,
apabila sumber daya alam seperti hutan sebagai
penyimpan sementara air tetap dijaga kelestariaanya
maka proses pemanfaatan sumber daya air dapat
berkelanjutan.
b. Biaya operasional relatif murah
Penggunaan turbin air sangat menguntungkan untuk
penggunaan dalam jangka waktu yang lama karena
bersumber dari energi air. PLTMH tidak menggunakan
bahan bakar seperti fosil sehingga biaya yang diperlukan
untuk operasional sangat murah.
c. Turbin dapat dioperasikan atau dihentikan setiap saat
Pada umumnya PLTMH menggunakan bendungan dan
reservoir yang dapat diatur besar atau kecilnya energi air
yang akan digunakan serta dapat setiap saat dihentikan
untuk keperluan perbaikan, perawatan dan keperluan
lainnya.
14 Turbin Impuls
d. Dapat beroperasi dalam waktu yang lama
Pada umumnya setiap alat atau mesin pasti akan
mengalami kerusakan jika digunakan secara terus
menerus. Jika turbin digunakan secara terus menerus
maka akan mengalami kerusakan. Namun jika turbin
dilakukan perawatan berupa pembersihan, pengecatan
dan pelumasan serta perawatan lainya maka umur pakai
turbin akan lebih lama.
e. Tidak mengakibatkan pencemaran udara dan air
PLTMH hanya menanfaatkan energi air (potensial atau
kinetik) sehingga tidak mencemari lingkungan dan tidak
menghasilkan gas buang sehingga tidak akan mencemari
udara.
f. Air yang keluar dari turbin dapat digunakan untuk
keperluan pengairan atau irigasi pertanian.
g. Dapat digunakan untuk memompa air
Putaran dari turbin dapat digunakan untuk
menggerakkan pompa air.
Selain kelebihan PLTMH juga mempunyai kekurangan.
Kekurangan dari penggunaan turbin air pada PLTMH
diantaranya yaitu:
a. Pembuatan PLTMH membutuhkan waktu lama
Masa persiapan yang cukup lama, dimulai dari pengujian
potensi air seperti debit dan head yang harus diuji selama
beberapa tahun, sehingga memerlukan biaya yang cukup
besar.
b. Sumber energi dipengaruhi oleh curah hujan.
Debit air pada PLTMH sangat dipengaruhi oleh curah
hujan, semakin tinggi curah hujan maka volume air pada
bendungan akan semakin banyak sehingga energi listrik
yang dihasilkan lebih tinggi, sedangkan pada musim
kemarau curah hujan sangat rendah sehingga volume air
Turbin Impuls 15
lebih sedikit dan energi listrik yang dihasilkan lebih
rendah.
c. Perlu sosialisasi kepada masyarakat
Penggunaan PLTMH sebagai pembangkit listrik belum
sepenuhnya diketahui oleh masyarakat sehingga perlu
dilakukan sosialisasi.
2.3 Komponen PLTMH
Pembangkit listrik tenaga mikro hidro atau PLTMH
mempunyai beberapa bagian atau komponen yang memiliki
peran dan fungsi masing-masing. Komponen-komponen besar
PLTMH diantaranya yaitu:
1) Bendungan atau Weir
Bendungan atau dam pengalih berfungsi untuk
mengalihkan air melalui sebuah pembuka di bagian sisi
sungai ke dalam sebuah bak pengendap.
2) Saringan atau Sand Trap
Saringan berfungsi untuk menyaring sampah yang
terbawa oleh air seperti daun, ranting pohon, kayu dan
kotoran lainnya.
3) Pintu pengambilan air (Intake)
Intake digunakan untuk masuknya air dari sungai menuju
saluran pembawa dengan dilengkapi saringan untuk
menyaring sampah masuk kedalam turbin.
4) Bak pengendapan/ Bak penenang (Forebay)
Fungsi dari bak pengendap atau bak pengendap adalah
sangat penting untuk melindungi komponen-komponen
berikutnya dari dampak pasir. Forebay digunakan untuk
memindahkan partikel-partikel pasir yang ikut terbawa
oleh air.
5) Saluran pembawa (Headrace)
Saluran pembawa memiliki peranan untuk menyalurkan
air dari intake menuju bak penenang dengan kontruksi
16 Turbin Impuls
akan mengikuti kontur dari sisi bukit untuk menjaga
elevasi dari air yang disalurkan.
6) Pipa pesat (penstock)
Penstock berfungsi menyalurkan air dan dihubungkan
pada sebuah elevasi yang lebih rendah ke turbin.
Kekasaran permukaan pipa perlu dipertimbangkan untuk
mengurangi kerugian head loss.
7) Saluran Pelimpah atau Spillway
Saluran pelimpah atau spillway berperan dalam
mengurangi kelebihan air pada saluran pembawa.
Sehingga volume air yang masuk ke pipa pesat akan
sesuai dengan kebutuhan.
8) Saluran pembuang (tail race)
Saluran pembuang berfungsi untuk mengalirkan air yang
keluar dari turbin menuju ke sungai.
9) Turbin
Turbin merupakan komponen paling penting dalam
PLTMH yang berfungsi sebagai mesin konversi energi
potensial dan energi kinetik dari air menjadi energi
mekanik turbin.
10) Generator
Generator memiliki peranan penting yaitu untuk
mengkonversi energi mekanik menjadi energi listrik.
Didalam melakukan pemilihan generator harus
disesuaikan dengan berapa daya yang mampu dihasilkan
turbin atau menyesuaikan dengan sumber daya air yang
digunakan untuk menggerakkan turbin.
2.4 Skema PLTMH
PLTMH atau Pembangkit listrik tenaga mikro hidro
adalah pembangkit listrik tenaga air dengan prinsip “run or
river” sehingga untuk memperoleh head tidak dengan
membendung tetapi mengalihkan sebagian aliran sungai. Tabel
berikut ini memberikan penjelasan tentang perbandingan antara
Turbin Impuls 17
kapasitas pembangkit listrik tenaga mikro hidro atau PLTMH
yang terpasang dengan kapasitas terpasang pembangkit tenaga
listrik nasional.
Tabel 5. Kapasitas Terpasang Pembangkit Tenaga Listrik
Nasional
NO. Tahun
PLTMH
Terpasang
(MW)
Jumlah Total
Pembangkit Yang
Terpasang (MW)
01 2008 0,69 31.462,54
02 2009 0,69 31.958,93
03 2010 0,69 33.983,30
04 2011 5,93 39.898,97
05 2012 6,71 45.253,47
06 2013 29,69 50.898,51
Sumber: (KESDM: 2014)
Jika pemanafaatan potensi sumber energi air di Indonesia
dapat dimaksimalkan maka penggunaan energi dari bahan
bakar fossil dapat dikurangi. Penggunaan energi air juga lebih
ramah lingkungan jika dibandingkan dengan penggunaan
energi dari bahan bakar fossil.
Gambar berikut ini merupakan skema dari PLTMH yang
umum digunakan.
18 Turbin Impuls
Gambar 5. Skema PLTMH
2.5 Pertimbangan Desain PLTMH
Pembangkit listrik tenaga mikro hidro sangat bergantung
pada kondisi alam seperti curah hujan, sehingga untuk desain
pembangkit listrik tenaga mikro hidro diperlukan beberapa
pertimbangan yang harus dipersiapkan secara maksimal,
sehingga PLTMH dapat beroperasi sepanjang tahun. Bebepara
pertimbangan yang perlu dilakukan yaitu sebagai berikut:
a. Kurva durasi aliran atau FDC
Kurva durasi aliran merupakan salah satu faktor
penting yang harus dipertimbangkan dalam melakukan
perencanaan sistem pembangkit listrik tenaga air
(PLTMH). Pemiilihan jenis turbin yang nantinya akan
diplikasikan dalam PLTMH, ukuran atau dimensi dan
kecepatan spsesifik turbin pada suatu PLTMH didasarkan
Turbin Impuls 19
pada head bersih atau tinggi jatuh air dan debit air
maksimal yang seharusnya ditentukan berdasarkan
potensi sumber daya air seperti sungai atau lokasi dimana
turbin akan dipasang.
Pembangkit listrik mikro hidro pada umumnya
dibangun dengan sistem “run of river” dimana
pemanfaatan energi air hanya mengalihkan sebagian
aliran air untuk menggerakkan turbin sehingga kapasitas
aliran air rata-rata maksimal pada FDC (kurva durasi
aliran) untuk sungai atau aliran harus ditentukan
bedasarkan kapasitas daya yang dihasilkan turbin.
Dengan melakukan survei atau observasi langsung ke
lokasi diamana akan dipasang turbin dengan waktu yang
lama sampai beberapa kali musim maka akan diperoleh
data aliran rata-rata atau debit air. Sehingga dengan data
aliran rata-rata tahunan tersebut dapat memberikan
informasi tentang potensi energi yang dimiliki oleh aliran
air atau sungai pada lokasi akan dipasang turbin.
Pengukuaran debit air harus dilakukan selama beberapa
tahun untuk memperoleh kurva durasi aliran atau debit
yang akurat.
b. Pengukuran tingkat aliran (Flow rate measurement)
Untuk melakukan pengukur laju aliran air atau
dischage ada beberapa cara atau metode yang dapat
dilakukan. Salah satu cara atau metode yang dapat
digunakan adalah metode “velocity-area”. Pengukuran
dengan metode velocity-area merupakan metode
konvensional yang dilakukan untuk mengukur laju aliran
atau kecepatan aliran air pada sungai menengah sampai
sungai besar. Pengukuran debit air dengan metode ini
melibatkan pengukuran luas keseluruhan penampang
sungai atau luas aliran sungai dan kecepatan rata-rata
aliran air sungai.
20 Turbin Impuls
Metode velocity-area ini merupakan suatu metode
pendekatan yang digunakan untuk mengetahui besarnya
debit air atau laju aliran sungai dengan usaha yang
sederhana (minimal). Untuk melakukan pengukuran luas
penampang aliran aip pada sungai dengan hasil yang
maksimal maka permukaan sungai harus memiliki lebar
yang seragam atau sama dengan panjang tertentu,
sehingga luas sungai dapat terukur dengan baik. Untuk
mengetahui kecepatan aliran yang terjadi pada sungai
dapat dilakukan dengan menggunakan benda terapung
yang terletak pada pusat aliran sungai.
Pengujian kecepata atau laju aliran sungai
dilakukan dengan jarak tertentu pada aliran sungai
tersebut. Jika waktu (t dalam detik) yang digunakan atau
yang diperlukan untuk benda terapung melewati jarak
atau panjang tertentu (L dalam meter), sehingga dari
pengukuran tersebut dapat diperoleh kecepatan aliran air
sungai yaitu (m/s). Jika pengujian dilakukan dibeberapa
titik maka akan diperoleh hasil pengukuran yang akurat.
Untuk memprediksi atau memperkirakan kecepatan
aliran sungai rata-rata, maka nilai kecepatan tersebut
harus dikalikan dengan faktor koreksi yaitu antara 0,6
sampai 0.85. nilai faktor koreksi pada satu sungai dengan
sungai yang lainnya tertu berbeda. Besarnya nilai faktor
koreksi tergantung kekasaran permukaan pada sisi sungai
dan bagian bawah sungai serta kedalaman dari aliran air
tersebut.
c. Bendungan dan saluran pembuka
Selain pengukuran tingkat aliran, ada beberapa hal
yang juga perlu dipertimbangkan dan diperhatikan dalam
melakukan desain dan pembuatan saluran pembuka yaitu
sudut atau derajat kemiringan saluran air. Jika
kemiringan saluran air yang direncanakan dan dibuat
tidak tepat maka akan menyebabkan pengikisan atau
Turbin Impuls 21
erosi pada permukaan saluran air. Untuk melakukan
proses perencanaan dan pembuatan bendungan pada
aliran sungai harus dipertimbangkan dengan lokasi
dimana air akan disalurkan atau dimana lokasi turbin
akan dipasang. Saluran pembuka dalam disain PLTMH
merupakan hal penting sehingga dalam perencanaan
perlu pertimbangan yang matang.
d. Desain penyaring sampah (Trash rack design)
pada aliran sungai pastinya terdapat sampah seperti
daun ranting dan lain-lain yang ikut mengalir bersama
dengan aliran air dan pada akhirnya akan masuk kedalam
turbin. Untuk menghindari sampah masuk kedalam pintu
masuk saluran air, maka diperlukan suatu penyaring yang
ditempatkan dalam posisi miring dengan sudut
kemiringan yaitu 60º sampai 80º dengan sumbu
horizontal sehingga sampah tidah masuk kedalam saluran
masuki air.
Sebuah penyaring (penghalang) sampah digunakan
untuk menghalangi puing-puing sampah yang
mengambang masuk ke turbin sehingga penyaring
sampah selalu ditempatkan pada pintu masuk dari kedua
pipa tekanan dan intake. Setiap jenis turbin memiliki nilai
spesifik penyaring sampah yang berbeda-beda. Untuk
turbin Pelton yaitu yaitu 20-30 mm, sedangkan untuk
turbin Francis yaitu 40-50 mm dan untuk turbin Kaplan
yaitu 80- 100 mm.
e. Desain penstock penstocks merupakan pipa saluran air yang
digunakan untuk mengalirkan air dari bak penenang
menuju ke turbin. Diameter dalam penstock dapat
diperkirakan dari besarnya laju aliran atau debit air yang
digunakan serta dari luasan aliran air. Saluran pada pipa
dapat menyebabkan terjadinya head loss atau kerugian
tinggi yang disebabkan oleh panjang pipa, bahan pipa,
22 Turbin Impuls
diameter dalam pipa dan juga tekanan yang terjadi pada
saat turbin bekerja. Pemasangan penstocks bervariasi
(diatas atau dibawah permukaan tanah) tergantung pada
sifat tanah, suhu lingkungan, bahan yang digunakan
untuk penstock dan juga persayaratan lingkungan
lainnya.
f. Pengukuran head
Head kotor (tinggi jatuh air) merupakan jarak
vertikal dengan sudut 90 derajat antara permukaan air
pada bagian masuk pipa pesat (intake) dengan turbin.
Untuk turbin reaksi seperti Francis dan Kaplan head
dihitung antara intake sampai dengan Tailrace.
Sedangkan untuk turbin impuls seperti Pelton, Turgo dan
Cross-flow head dihitung dari intake sampai dengan dan
sisi masuk nosel. Head bersih dalam suatu PLTMH dapat
dihitung dengan mengurangi kerugian sepanjang jalurnya
. Kerugian head ada dua jenis yaitu mayor losses dan
minor losses, kerugian minor losses seperti kerugian pada
saluran pembuka, dan kerugian-kerugian yang
disebabkan oleh tempat penghalang atau penyaring
sampah serta kerugian yang disebabkan oleh inlet
penstock. Sedangkan untuk kerugian mayor losses yaitu
kerugian yang disebabkan oleh gesekan antara air dengan
dinding penstock bagian dalam.
g. Daya turbin
Pada dasarnya semua pembangkit listrik tenaga air
(PLTA) atau pembangkit listrik tenaga mikro hidro
(PLTMH) sangat tergantung pada air yang jatuh dari
ketinggian tertentu (air terjun) atau aliran dari air sungai.
Air tersebut merupakan bahan bakar dalam pembangkit
listrik tenaga air atau pembangkit listrik tenaga mikro
hidro. Dengan mengabaikan bentuk saluran air atau
penstock, daya yang dihasilkan turbin diperoleh dari
Turbin Impuls 23
hilangnya energi potensial yang terdapat pada air.
Semakin besar daya air yang digunakan dalam PLTA
maka semakin besar juga daya yang mampu dihasilkan
turbin. Perlu dicatat bahwa untuk turbin implus, tinggi
jatuh air atau head diukur dari ujung nosel sampai
dengan permukaan air pada hilir sungai.
h. Kecepatan turbin
Pada turbin implus kecepatan turbin sangat
dipegaruhi oleh kecepatan air. Dimana kecepatan air
sangat dipengaruhi oleh besarnya debit air yang
digunakan serta diamater nosel yang digunakan pada
turbin. Pada kondisi debit yang besar kecepatan turbin
akan lebih tinggi, sedangkan pada kondisi debit yang
kecil maka kecepatan turbin juga akan kecil. Sehingga
untuk mengatur kecepatan turbin dapat dlakukan dengan
mengatur debit atau laju aliran air yang digunakan. Selain
itu, penggunaan flywheel pada poros turbin atau
generator dapat mencegah terjadinya variasi kecepatan
putaran turbin. Pada kondisi beban terputus maka turbin
akan mempercepat putaran flywheel yang terhubung pada
poros turbin, dan ketika beban turbin dihubungkan
kembali maka kecepatan dari flywheel akan
memperlambat perubahan kecepatan turbin ataupun
generator.
i. Pemilihan turbin
Untuk menentukan jenis turbin yang akan
digunakan dalam sebuah PLTMH atau pembangkit listrik
tenaga air ada beberapa hal yang perlu diperhitungkan
yaitu daya yang dihasilkan oleh turbin, kecepatan
spesifik masing-masing turbin dan head atau tinggi jatuh
air. Jenis turbin air yang digunakan dapat ditentukan
berdasarkan tinggi jatuh atau head, karena masing-
masing turbin dapat menghasilkan efisiensi maksimal
24 Turbin Impuls
pada ketinggian atau head tertentu. Secara umum, turbin
Pelton berada pada posisi head tinggi untuk pembangkit
listrik mikro hidro yaitu pada head 50 m. Turbin Francis
merupakan jenis turbin yang mempunyai cakupan
rentang terbesar dari ketinggian atau head yaitu berada
dibawah turbin Pelton. Untuk tinggi jatuh air rendah
hingga 50 m, turbin Cross-flow dapat diplikasikan.
Sedangkan untuk turbin reaksi seperti turbin kaplan
menempati ketinggian atau head yang rendah yaitu pada
ketinggian atau head kurang dari 10 m.
Turbin Impuls 25
2.6 Rangkuman
Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro atau yang umum
disingkat dengan (PLTMH) adalah salah satu alternatif sumber
pembangkit energi listrik terbarukan yang menggunakan
prinsip " run-of-river". Daya listrik yang mampu dihasilkan
PLTMH berada pada kisaran 5 sampai 100 kW. Ada beberapa
keuntungan penggunaan turbin air sebagai PLTMH diantaranya
sebagai berikut:
a. Merupakan sumber energi terbarukan
b. Biaya operasional relatif murah
c. Turbin dapat dioperasikan atau dihentikan setiap saat
d. Turbin dapat beroperasi dalam waktu yang cukup lama
e. Tidak mengakibatkan pencemaran udara dan air
Kekurangan dari PLTMH diantaranya yaitu:
a. Pembuatan PLTMH membutuhkan waktu lama
b. Sangat dipengaruhi oleh iklim atau curah hujan.
c. Perlu sosialisasi kepada masyarakat
Pada sebuah PLTMH terdapat beberapa komponen
diantaranya yaitu bendungan pengalihan (Weir), Saringan
(Sand Trap), Pintu pengambilan air (Intake), Saluran pembawa
(Headrace), Pipa pesat (penstock), Saluran Pelimpah
(Spillway). Saluran pembuang (tail race), Turbin dan
Generator. Pertimbangan yang harus dilakukan dalam
perencanaan PLTMH yaitu Kurva durasi aliran atau FDC,
Pengukuran tingkat aliran (Flow rate measurement),
Bendungan dan saluran pembuka, Desain penyaring sampah,
Desain penstock, Pengukuran head, Daya turbin, Kecepatan
turbin dan Pemilihan turbin
26 Turbin Impuls
BAB III TURBIN AIR
3.1 Pengertian Turbin Air
Turbin secara umum dapat diartikan sebagai suatu mesin
penggerak mula dengan energi fluida kerja berupa air (untuk
turbinn air) yang digunakan langsung memutar roda turbin.
Turbin air merupakan bagian terpenting dalam PLTA yang
berfungsi untuk mengubah atau mengkonversi energi kinetik
dari air menjadi energi mekanik (putaran). Selanjutnya energi
mekanik dari turbin ini kemudian dikonversi menjadi energi
listrik oleh generator. Turbin air merupakan turbin yang sudah
dikembangkan pada abad 19 M dan digunakan untuk
pembangkit tenaga listrik atau PLTA. Dalam suatu pembangkit
listrik tenaga air (PLTA), turbin air berperan sebagai
komponen utama selain generator.
3.2 Komponen turbin air
Turbin air memiliki dua komponen utama yang
mempunyai fungsi dan tugas masing-masing, komponen utama
tersebut yaitu rotor dan stator.
a. Rotor
Rotor merupakan bagian dari turbin yang bergerak
memutar dan berfungsi menerima tekanan atau
momentum dari air. Rotor terdiri dari beberapa bagian
diantaranya:
1. Sudu-sudu turbin
Merupakan bagian dari turbin yang berfungsi
menerima beban semburan atau momentum dari air
yang dikeluarkan oleh nosel.
2. Poros turbin
Turbin Impuls 27
Poros turbin merupakan bagian turbin yang
berfungsi menyalurkan aliran tenaga atau energi
mekanik yang dihasilkan oleh sudu turbin.
3. Bantalan
Bantalan merupakan bagian turbin yang berfungsi
sebagai penutup komponen-komponen turbin dengan
tujuan agar tidak mengalami kebocoran pada turbin.
Bantalan juga berfungsi mengurangi gesekan antara
komponen poros dengan rumah turbin.
b. Stator
Stator merupakan bagian dari turbin yang diam
pada sistem. Stator terdiri dari beberapa bagian yaitu:
1. Nosel yang berfungi untuk meneruskan aliran fluida
sehingga kecepatan fluida air sebelum masuk
kedalam turbin menjadi lebih besar. Nosel juga
berfungsi sebagai pengarah aliran air.
2. Rumah turbin berfungsi sebagai tempat atau
dudukan dari komponen turbin seperti rotor dan lain-
lain.
3.3 Prinsip Kerja Turbin Air
Sebuah turbin impuls dapat berputar karena mendapat
gaya dorong dari air. Dimana gaya dorong air diperoleh dari
perubahan momentum air setelah menumbuk bagian sudu
turbin. Besarnya momentum air sangat dipengaruhi oleh
besarnya kecepatan dan laju aliran massa air. Untuk
memperoleh daya turbin yang maksimal maka desain sudu
harus didesain sedemikian rupa sehingga terjadinya perubahan
momentum dapat maksimal. Sedangkan kecepatan fluida air
dipengaruhi oleh tinggi jatuh air. Sehingga daya yang
dihasilkan turbin akan sangat bergantung pada besarnya head
dan debit air.
Turbin air berperan sebagai mesin konversi energi yaitu
energi potensial atau energi kinetik menjadi energi mekanik.
28 Turbin Impuls
Konversi energi tersebut terjadi karena air yang mengalir pada
nosel dengan kecepatan dan laju aliran massa tertentu
disemprotkan kedalam sudu turbin sehingga menyebabkan
turbin berputar.
3.4 Klasifikasi Turbin Air
Turbin air berperan dalam mengubah atau mengkonversi
energi kinetik air menjadi energi mekanis (putaran). Untuk
menghasilkan listrik maka energi mekanis dari turbin
dikonversi dengan generator listrik menjadi energi listrik.
Berdasarkan prinsip kerja turbin atau momentum fluida
kerjanya dalam mengubah dan mengkonversi energi kinetik air
menjadi energi mekanis maka turbin air dibedakan turbin
impuls dan turbin reaksi.
Dalam aplikasi dan penerapannya pada sumber daya air
setiap masing-masing turbin memiliki head tertentu. Gambar
dibawah ini menjelaskan tentang pengelompokan (klasifikasi)
berbagai macam jenis turbin air yang diterapkan dalam suatu
pembangkit listrik tenaga air seperti PLTMH.
Gambar 6. Klasifikasi Turbin Mikro Hidro
Sedangkan untuk aplikasi atau pemilihan dari jenis turbin
air berdasarkan head dapat digunakan tabel berikut ini.
Turbin Impuls 29
Tabel 6. Aplikasi Turbin Dengan Klasifikasi Head
Tipe
Turbin
Klasifikasi Head
Higt > 50 m Medium 10-15 m Low < 10 m
Implus
Pelton Cross-flow
Cross-flow Turgo Turgo
Multi-jet
Pelton Multi-jet Pelton
Reaksi Francis (Spiral
Case)
Francis
Propeler
Kaplan
Sumber: (Elbatran, et al. 2015)
30 Turbin Impuls
3.5 Rangkuman
Turbin air dapat diartikan sebagai suatu mesin penggerak
mula dimana fluida kerjanya adalah air. Turbin air merupakan
bagian terpenting dalam PLTA yang berfungsi untuk
mengubah atau mengkonversi energi kinetik dari air menjadi
menjadi energi mekanik (putaran). Turbin air memiliki dua
komponen utama yang mempunyai fungsi dan tugas masing-
masing, komponen utama tersebut yaitu rotor dan stator. Rotor
merupakan bagian dari turbin yang berputar dan berfungsi
menerima tekanan atau momentum dari air. Rotor terdiri dari
beberapa bagian yaitu sudu, poros dan bantalan turbin. Stator
merupakan bagian dari turbin yang diam pada sistem. Stator
terdiri dari beberapa bagian yaitu nosel dan rumah turbin.
Sebuah turbin impuls dapat berputar karena mendapat gaya
dorong dari air. Dimana gaya dorong air diperoleh dari
perubahan momentum air setelah menumbuk bagian sudu
turbin. Besarnya momentum air sangat dipengaruhi oleh
besarnya kecepatan dan laju aliran massa air.
Turbin Impuls 31
BAB IV JENIS TURBIN AIR
4.1 Turbin Implus
Turbin implus merupakan jenis turbin tekanan sama.
Tekanan yang sama tersebut yaitu tekanan pada aliran air yang
keluar dari nosel turbin dan tekanan atmosfir lingkungan
sekitar turbin. Energi potensial yang terkadung didalam air
dengan ketinggian tertentu dikonversi menjadi energi kinetik
melalui suatu pipa pesat (penstock) dan air tersebut masuk
turbin melalui salah satu bagian turbin yang disebut nosel.
Penampang nosel biasanya lebih kecil jika dibandingkan
dengan pipa pesat sehingga kecepatan air yang keluar dari
nosel sangat tinggi. Kecepatan air yang tinggi tersebut
membentur sudu turbin dan setelah membentur sudu arah
kecepatan aliran dari air akan berubah sehingga terjadi
perubahan momentum dari air maka roda turbin akan berputar.
Adapun jenis – jenis turbin implus adalah sebagai berikut:
a. Turbin Pelton
Turbin Pelton merupakan salah satu dari jenis
turbin air khususnya turbin impuls yang paling efisien
jika dibandingkan dengan turbin implus lainnya. Turbin
Pelton terdiri dari satu set sudu jalan atau runner yang
diputar oleh semburan air yang disemprotkan melalui
satu atau beberapa nosel.
Turbin Pelton untuk pembangkit skala yang besar
maka turbin membutuhkan head yang sangat tinggi
yaitu sekitar 150 meter. Sedangkan untuk skala mikro
turbin Pelton hanya membutuhkan head sekitar 20
meter.
32 Turbin Impuls
Gambar 7. Turbin Pelton
b. Turbin Cross-flow
Turbin Cross-flow merupakan jenis turbin implus
dengan dua komponen utama yaitu runner dan nosel.
Prinsip kerja turbin Cross-flow yaitu dengan
memanfaatkan momentum air yang keluar dari nosel.
Air yang disemprotkan dari nosel dengan kecepatan
tertentu masuk kedalam bagian turbin yang berputar
(runner) kemudian air tersebut menumbuk sudu turbin
pada tahap pertama dan kemudian air keluar dari celah
sudu runner turbin tahap pertama yang kemudian
melalui ruang kosong dalam runner dan selanjutnya air
menumbuk sudu tahap kedua. Kecepatan air yang
menumbuk sudu pada tahap kedua akan lebih rendah
jika dibandingkan dengan tahap pertama. Setelah
menumbuk sudu pada tahap kedua air itu keluar dari
celah sudu tingkat kedua. Atas dasar hal tersebut maka
pemanfaatan air pada turbin Cross-flow dilakukan
dengan dua tahap dan aliran air akan membentuk garis
Turbin Impuls 33
silang. Karena pemanfaatan air dilakukan dua kali maka
turbin Cross-flow disebut dengan turbin aliran silang.
Turbin Cross-flow mempunyai bagian pengarah
air atau yang disebut nosel sehingga celah bebas dengan
sudu disekeliling runner sedikit. Nosel pada turbin
Cross-flow biasa disebut juga dengan distributor (Guide
Vane). Turbin Cross-flow sangat cocok jika
diaplikasikan untuk pembangkit listrik tenaga air yang
kecil hingga sedang dengan daya yang dihasilkan
kurang lebih 750 kW.
Untuk tinggi jatuh air (Head) yang dapat
digunakan untuk menggerakkan turbin Cross-flow pada
kisaran diatas 1 m sampai dengan 200 m. Sedangkan
untuk debit air yang digunakan untuk turbin Cross-flow
yaitu antara 0,02 m3/dt sampai dengan 7 m
3/dt. Turbin
Cross-flow memiliki kecepatan putarannya pada
kisaran 60 rpm sampai dengan 200 rpm. Kecapatan
putaran yang dihasilkan turbin Cross-flow tergantung
kepada diameter roda atau runner serta head dan debit
air.
34 Turbin Impuls
Gambar 8. Turbin Cross-flow
c. Turbin Turgo
Turbin Turgo termasuk jenis turbin tekanan sama
atau turbin implus tetapi sudu pada turbin Turgo
memiliki kontruksi yang berbeda. Turbin Turgo
merupakan jenis turbin untuk head rendah sampai head
yang tinggi yaitu kisaran antara 3 sampai dengan 150
m. Semburan atau pancaran air dari nosel pada turbin
Turgo membentuk sudu pada sudut 20o yang kemudian
akan menumbuk sudu turbin sehingga menghasilkan
putaran atau energi mekanik. Dengan adanya nosel
maka kecepatan air yang keluar akan lebih tinggi
sehingga putaran yang dihasilkan turbin Turgo lebih
besar dan dapat ditransmisi secara langsung dari turbin
ke generator. Dengan transmisi langsung tersebut maka
dapat meningkatkan efisiensi sistem pembangkit dan
sekaligus menurunkan biaya untuk perawatan.
Turbin Impuls 35
Gambar 9. Turbin Turgo
4.2 Turbin Reaksi
Pada dasarnya setiap turbin air pastinya memiliki sudu
yang digunakan untuk menerima energi tekan (pada turbin
reaksi) atau momentum dari air (pada turbin implus). Sudu
pada turbin reaksi memiliki desain (profil) khusus sehingga
yang mampu menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air
selama melewati sudu. Dengan desain sudu yang sedemikian
rupa maka tekanan yang keluar dari turbin sangat rendah jika
dibandingan dengan tekanan air yang masuk kedalam turbin.
Perbedaan tekanan air pada sisi masuk dan keluar turbin ini
yang memberikan gaya dorong pada bagian sudu turbin
sehingga menyebabkan runner berputar. Turbin air yang
bekerja menggunakan prinsip perbedaan tekanan ini
diklasifikasikan sebagai turbin reaksi.
Pada turbin reaksi terdapat dua jenis sudu yaitu sudu
tetap dan sudu gerak. Untuk proses ekspansi fluida kerja dalam
36 Turbin Impuls
hal ini adalah fluida air pada turbin reaksi terjadi pada kedua
sudu tersebut.
Fluida Air yang mengalir memasuki bagian roda jalan
runner (rotor) turbin melewati sudu pengarah dengan tekanan
yang tinggi maka runner turbin akan berputar. Besarnya energi
yang terdapat pada air akan menurun setelah melalui sudu dan
akhirnya keluar dari turbin. Besarnya energi air yang hilang
pada proses tersebut telah diubah atau dikonversi menjadi
energi mekanis oleh runner turbin. Jika dilihat dari
konstruksinya, ada dua jenis turbin reaksi yaitu turbin Francis
dan turbin Kaplan.
a. Turbin Francis
Turbin Francis adalah salah satu jenis turbin
reaksi dengan kontruksi yang sangat komplek sehingga
tekanan air yang keluar dari turbin sangat rendah, hal
ini yang menyebabkan tingginya efisiensi turbin
Francis. Turbin Francis menggunakan suatu bagian
yang digunakan sebagai sudu pengarah. Sudu pengarah
tersebut berfungsi sebagai bagian yang mengarahkan air
masuk kedalam turbin secara tangensial.
Sudu pengarah yang dibuat pada turbin francis
dapat diatur dengan kemiringan tertentu yang
disesuaikan dengan beban yang akan digerakkan turbin.
Hal ini dapat meningkatkan kinerja dari turbin Francis.
Komponen pada turbin Francis dapat dilihat seperti
pada gambar berikut.
Turbin Impuls 37
Gambar 10. Turbin Francis
b. Turbin Kaplan
Selain turbin Francis, jenis turbin reaksi lainnya
yaitu turbin Kaplan. Turbin Kaplan merupakan turbin
yang menggunakan prinsip kerja seperti turbin Francis
yaitu prinsip reaksi. Pada aplikasinya turbin Kaplan
dapat dihubungkan dalam satu poros dengan generator.
Hal tersebut dapat dilakukan karena turbin Kaplan
dapat bekerja pada kecepatan yang tinggi. Dengan
kecapatan yang tinggi tersebut menyebabkan ukuran
runner turbin Kaplan lebih kecil.
Sudu pada turbin Kaplan dapat diatur dan
disesuaikan dengan beban yang digerakkan oleh turbin.
hal inilah yang menyebabkan turbin Kaplan dapat
menghasilkan efisiensi maksimal pada beban yang tidak
penuh.
Turbin Kaplan dapat menyesuaikan perubahan
head yang terjadi sepanjang tahun. Hal ini yang
38 Turbin Impuls
menyebabkan turbin Kaplan banyak digunakan pada
instalasi pembangkit listrik tenaga air.
Gambar 11. Turbin Kaplan
4.2 Perbandingan Karakteristik Turbin
Setiap turbin memiliki karakter yang berbeda-beda baik
turbin reaksi dan turbin implus. Turbin akan menghasilkan
kinerja yang maksimal pada Head atau ketinggian dan debit air
tertentu.
Perbandingan karakter dari masing-masing turbin air baik
turbin reaksi maupun turbin impuls dapat kita lihat seperti pada
grafik head (m) dan flow (m3/s) berikut ini.
Turbin Impuls 39
Gambar 12. Grafik Perbandingan Karakteristik Turbin
40 Turbin Impuls
4.3 Rangkuman
Berdasarkan prinsip kerja dalam mengkonversi energi air
maka turbin air diklasifikasikan kedalam dua jenis yaitu turbin
impuls dan turbin reaksi. Adapun jenis – jenis turbin implus
yaitu turbin Pelton, Cross-flow dan Turgo. Pada turbin impuls
tejadi perubahan momentum air pada saat menumbuk sudu
turbin. Peubahan momentum inilah yang dikonversi menjadi
energi mekanik oleh turbin impuls. Sedangkan untuk jenis-
jenis turbin reaksi yaitu turbin Kaplan dan Francis. Pada turbin
reaksi sudu turbin di desain sedemikian rupa sehingga terjadi
perbedaan tekanan pada sisi masuk dan sisi keluar turbin.
perbedaan inilah yang dikonfersi menjadi energi mekanik oleh
turbin. Dalam aplikasinya masing-masing turbin baik ilpuls
maupun reaksi dapat beroperasi secara maksimal pada head
dan debit air yang berbeda-beda.
Turbin Impuls 41
BAB V TURBIN AIR CROSS-FLOW
5.1 Pengertian Turbin Cross-flow
Turbin Cross-flow adalah salah satu jenis turbin implus
atau turbin tekanan sama yang pertama kali dibuat dan
dikembangkan di Eropa. Penamaan turbin Cross-flow diambil
berdasarkan aliaran air yang melewati kedua sudu gerak atau
yang biasa disebut runner dalam menghasilkan energi mekanis
dalam bentuk putaran atau rotasi.
A.G.M. Michell adalah seorang insinyur dari Australia
yang menemukan prinsip kerja turbin Cross-flow pada tahun
1903. Namun penemuan prinsip kerja turbin tersebut hanya
sekedar penemuan yang belum dipatenkan. Berawal dari
penemuan tersebut kemudian turbin Cross-flow dikembangkan
dan dipatenkan di Jerman Barat oleh Prof. Donat Banki. Atas
dasar pengembangan prinsip kerja turbin tersebut sehingga
turbin Cross-flow diberi nama Turbin Banki.
Arah aliran air pada Turbin Cross-flow yaitu tegak lurus
dengan sumbu poros turbin (radial). Turbin Cross-flow
dilengkapi dengan alat pengarah yang disebut nosel atau
disebut juga dengan distributor sehingga arah aliran air yang
masuk kedalam turbin tepat pada sudu turbin.
Pada dasarnya setiap turbin pasti memiliki kelebihan dan
kelemahan, sama halnya dengan turbin air Cross-flow. Turbin
Cross-flow memilik satu kelemahan yaitu turbin ini kurang
efisien pada kondisi beban penuh karena pada kondisi tersebut
perputaran roda jalan atau runner terjadi sedikit hambatan atau
kemacetan yang menimbulkan tekanan yang lebih tinggi
didalam turbin.
Turbin Cross-flow terdiri dari beberapa komponen atau
bagian utama yaitu runner atau yang biasa disebut dengan roda
jalan, bagian pengarah atau distributor (nosel) dan rumah atau
42 Turbin Impuls
rangka turbin. Runner atau roda jalan pada turbin Cross-flow
merupakan bagian turbin yang bergerak (rotor) yang berfungsi
menerima momentum air, sedangkan nosel dan rumah turbin
merupakan bagian yang diam (stator) yang berfungsi sebagai
pengarah aliran air dan dudukan runner turbin Cross-flow.
Penemuan turbin Cross-flow dilandaskan pada usaha
untuk menemukan jenis turbin dengan dimensi atau ukuran
yang lebih kecil, dan dengan kontruksi yang lebih sederhana
serta lebih murah dalam biaya pembuatan dibandingkan
dengan jenis turbin yang lainnya. Hasil dari pemikiran tersebut
maka diperoleh suatu jenis turbin air Cross-flow dengan proses
pembuatan yang lebih sederhana, dan dengan kontruksi yang
sederhana tersebut sudah dapat memenuhi kebutuhan yang
diharapkan.
Salah satu turbin jenis implus yang dapat beroperasi pada
ketinggian atau tinggi jatuh air (head) rendah adalah turbin
Cross-flow. Turbin ini juga dapat diplikasikan sebagai
alternatif dalam memilih jenis turbin dengan head yang rendah
dan debit ait yang kecil, lain halnya dengan turbin Pelton yang
memerlukan head yang tinggi sehingga untuk head yang
rendah turbin Pelton jarang sekali digunakan.
Pada turbin Cross-flow air yang masuk sudu diarahkan
oleh alat pengarah atau nosel. Alat pengarah ini juga biasa
disebut dengan distributor. Prinsip perubahan energi pada
turbin Cross-flow yaitu energi kinetik air yang keluar dari
pengarah atau nosel akan menumbuk pada sudu-sudu turbin
pada kondisi tekanan yang sama dengan tekanan atmosfir.
Turbin Impuls 43
5.2 Komponen Turbin Cross-flow
Komponen turbin Cross-flow yaitu dijelaskan pada
gambar berikut :
Gambar 13. Konstruksi Turbin Cross-flow
Turbin Cross-flow memiliki komponen nosel yang
berbentuk persegi panjang dengan lebar nosel sama dengan
lebar runner. komponen Runner pada turbin air Cross-flow
dibuat dengan beberapa buah sudu atau Blade yang dirangkai
pada impeler (piringan). Semburan air masuk kedalam turbin
dan menumbuk sudu runner turbin maka akan terjadi konversi
energi kinetik air menjadi energi mekanis dalam bentuk
putaran pada turbin. Air yang mengalir dan keluar akan
membentur sudu runner pada tahap kedua dan memberikan
energi lebih rendah jika dibandingkan pada saat masuk turbin,
setelah menumbuk sudu pada tahap kedua kemudian aliran air
meninggalkan runner turbin.
Turbin Cross-flow yang dibuat dengan menggunakan
rumah turbin dengan bentuk yang sederhana sehingga dapat
44 Turbin Impuls
memudahkan dalam proses pengangkutan dan proses
pemasangan dilokasi akan diaplikasikan turbin. Pada turbin
Cross-flow juga dilengkapi katup (valve) dengan bentuk
khusus yang berfungsi untuk mengatur kapasitas dan arah
aliran air yang masuk turbin.
Secara umum bentuk aliran air pada turbin Cross-flow
dapat dilihat seperti pada gambar berikut.
Gambar 14. Aliran Masuk Turbin Cross-flow
Turbin Cross-flow adalah jenis turbin yang arah
semburan air ke dalam dengan arah alirannya adalah radial,
sehingga dimensi turbin seperti diameter runner, jari-jari dan
jumlah sudu tidak dipengaruhi oleh besarnya momentuk air
tetapi dipengaruhi oleh ketinggian (head) atau tinggi jatuh air
dan debit air yang digunakan. Panjang runner akan
menyesuaikan dengan lebar nosel karena lebar runner pada
turbin Cross-flow sama dengan lebar nosel.
Turbin Impuls 45
Bentuk kontruksi runner turbin Cross-flow seperti
dijelaskan pada gambar berikut.
Gambar 15. Runner Turbin Cross-Flow
5.3 Jenis-Jenis Turbin Air Cross-flow
Berdasarkan kecepatan fluida air yang masuk kedalam
turbin, turbin Cross-flow kelompokkan kedalam dua tipe yaitu
turbin Cross-flow kecepatan rendah dan turbin Cross-flow
kecepatan tinggi.
a. Tipe T1
Tipe T1, yaitu Turbin Cross-flow dengan
kecepatan air rendah. Turbin Cross-flow jenis ini tidak
dilengkapi dengan alat pengarah atau ditributor (nosel)
sehingga arah aliran air yang masuk hanya satu aliran.
Tipe turbin Cross-flow aliran rendah dijelaskan seperti
pada gambar berikut.
Gambar 16. Turbin Cross-flow Kecepatan Rendah
46 Turbin Impuls
b. Tipe T3
Tipe T3 yaitu Turbin Cross-flow dengan
kecepatan air tinggi. Turbin Cross-flow jenis ini
dilengkapi dengan alat pengarah atau distributor (nosel)
sehingga arah aliran air terbagi menjadi dua bagian
sebelum masuk kedalam turbin. Dengan adanya nosel
maka luas aliran masuk pada turbin cenderung lebih
kecil dibandingkan dengan turbin kecepatan rendah.
Dengan luas penampang yang kecil maka kecepatan air
yang masuk kedalam turbin lebih tinggi. Turbin Cross-
flow kecepatan tinggi dijelaskan seperti pada gambar
berikut.
Gambar 17. Turbin Cross-flow Kecepatan Tinggi
Berdasarkan posisi penyemburan atau arah aliran air
yang masuk terhadap sumbu runner, turbin Cross-flow dapat
klasifikasikan kedalam tiga jenis. Ketiga jenis tersebut yaitu
posisi vertikal, posisi horizontal dan posisi miring. Adapun
jenis-jenis turbin Cross-flow berdasarkan posisi semburan air
atau nosel yaitu sebagai berikut.
Turbin Impuls 47
1. Posisi vertikal
Turbin Cross-flow dengan posisi semburan vertikal
yaitu air masuk secara tegak lurus (vertikal) sehingga
membentuk sudut 900 dengan garis lantai atau sumbu
horizontal.
Gambar 18. Turbin Cross-flow Vertical
2. Posisi Horizontal
Tipe turbin Cross-flow berdasarkan arah aliran air
yang kedua yaitu posisi horizontal. Posisi semburan
horizontal air masuk kedalam turbin akan membentuk
sudut 0o terhadap sumbu horizontal.
Gambar 19. Turbin Cross-flow Horizontal
48 Turbin Impuls
3. Posisi miring
Tipe turbin air berdasarkan arah aliran air yang
ketiga yaitu posisi miring. Pada posisi penyemburan
miring yaitu aliran air yang masuk kedalam turbin
membentuk sudut kemiringan antara 00
– 900
terhadap
garis lantai atau sumbu horizontal.
Gambar 20. Turbin Cross-flow posisi miring
5.4 Perancangan Turbin Cross-flow
5.4.1 Perencanaan Penstocks
Pipa saluran air (Penstocks) berfungsi untuk mengalirkan
air dari penampungan atau bak penenang menuju ke dalam
rumah turbin. Sebelum menentukan dimensi pipa saluran air
atau Penstocks hendaknya terlebih dahulu mencari dan
mengolah data-data yang nantinya diperlukan dalam
perencanaan. Pengambilan data lapangan dapat melakukan
dengan survei lapangan atau observasi ditempat akan
diaplikasikan turbin Cross-flow. Data yang digunakan untuk
melakukan perencanaan penstocks yaitu luas penampang air
dan menyesuaikan dengan debit aliran air. Dimana luas
penampang keluaran air tersebut diperoleh dari survei dan hasil
pengukuran di lokasi akan dipasang turbin.
Turbin Impuls 49
Untuk melakukan perencanaan diameter pipa pesat atau
pipa saluran air (penstocks) dapat digunakan persamaan seperti
berikut.
A = π/4 . d2 ...........................................................[1]
Dengan melakukan perpindahan ruas persamaan [1] atau
transposisi rumus maka diameter pipa yang digunakan sebagai
pipa pesat yaitu sebagai berikut:
= √
.............................................................[2]
dimana:
= Diameter pipa (m)
A = Luas penampang aliran air (m2)
5.4.2 Dasar Teori turbin Cross-flow
Turbin berfungsi sebagai alat untuk mengkonversi energi
kinetik (kecepatan) menjadi energi mekanik (dalam bentuk
putaran). Energi yang yang terdapat pada air yang mengalir
dikonversi menjadi energi mekanik dalam turbin air. Proses
konversi energi tersebut menggunakan salah satu prinsip dasar
yaitu turbin implus dan turbin reaksi.
Mekanisme pemanfaatan energi air menjadi energi
mekanik yang pertama yaitu prinsip tekanan sama (impuls)
yang mengekstraksi atau mengkonversi energi kinetik air
dalam bentuk semburan air. Ekstraksi dan konversi energi
terjadi karena terjadi perubahan arah dari air (perubahan
momentum) setelah menumbuk sudu runner turbin. Didalam
turbin implus tidak terjadi perubahan tekanan air pada bagian
sudu runner turbin.
50 Turbin Impuls
Mekanisme pemanfaatan energi air yang kedua yaitu
menggunakan prinsip reaksi. Turbin dengan mekanisme prinsip
reaksi mengkonversi atau merubah energi potensial air dan
energi kinetik air dalam bentuk perubahan tekanan didalam
turbin. Tekanan air yang keluar turbin sangat rendah jika
dibandingkan dengan tekanan air yang masuk turbin,
perbedaan tekanan air pada sisi masuk dan keluar ini yang
dikonversi menjadi energi mekanik turbin.
Pada dasarnya semua turbin air menggunakan prinsip
dasar yang berasal dari hukum momentum. Berdasarkan
Hukum kedua Newton dapat diketahui bahwa besarnya gaya
eksternal yang bekerja dalam suatu sistem bergerak adalah
sama dengan perubahan momentum dari sistem tersebut.
Untuk menghasilkan energi mekanik (putaran) maka
turbin Cross-flow memerlukan gaya eksternal yang mendorong
sudu turbin. Gaya yang terjadi pada turbin Cross-flow
diperoleh dari perubahan momentum air yang masuk dan
keluar turbin. Besarnya momentum pada turbin Cross-flow
diperoleh dari massa dikali dengan vektor kecepatan aliran air.
Sehingga besarnya gaya yang diperoleh pada turbin Cross-flow
yaitu sebagai berikut.
=
( ) ...................................................[3]
dimana:
=
=
Laju aliran massa (kg/s)
Vektor kecepatan aliran (m/s)
Perubahan momentum air dipengaruhi oleh beberapa
faktor seperti vektor kecepatan aliran air dan sudut
penyemburan air yang masuk kedalam turbin. Pemanfaatan
momentum air pada turbin Cross-flow terjadi secara dua tahap
yaitu pada saat masuk tingkat pertama dan pada tingkat yang
Turbin Impuls 51
kedua sebelum keluar turbin. Momentum air pada turbin
Cross-flow diperoleh dari perbedaan vektor kecepatan air yang
masuk dan vektor kecepatan air yang keluar dari turbin.
Sehingga sistem hukum Newton dalam persamaan
kontrol volume pada turbin Cross-flow menjadi,
= ∑ ∑ .................................[4]
Laju aliran massa air pada turbin air Cross-flow diperoleh
berdasarkan debit air yang masuk kedalam turbin dengan
mempertimbangkan berat jenis air pada kondisi tertentu.
= . Q ......................................................................[5]
Atau
=
. Q ......................................................................[6]
Dengan mensubtitusi persamaan [6] kedalam persamaan
[4] maka diperoleh persamaan untuk gaya yang terjadi pada
turbin Cross-flow yaitu,
F =
Q –
Q .....................................[7]
dimana,
F
=
=
=
=
=
=
=
Gaya yang terjadi pada runner turbin (N)
Debit air yang digunakan (m3/s)
Massa jenis air (kg/ m3)
Berat jenis air (N/m3)
Gravitasi (m/s2)
Kecepatan absolut air keluar (m/s)
Kecepatan absolut air masuk (m/s)
52 Turbin Impuls
Hukum kontinuitas menyatakan bahwa debit air pada
suatu saluran tertutup akan tetap sama pada semua titik saluran
dan momentum yang terjadi pada turbin air Cross-flow
mempertimbangkan sudut aliran air yang masuk kedalam
turbin.
Besarnya gaya yang terjadi pada turbin Cross-flow akan
dipengaruhi oleh sudut yang dibentuk oleh arah kecepatan
absolut air yang masuk dan keluar, sehingga persamaan untuk
kecepatan absolut air masuk yaitu seperti berikut,
= .............................................................[8]
dan kecepatan absolut air keluar yaitu sebagai berikut,
= ............................................................[9]
Berdasarkan prinsip-prinsip kontinuitas dan momentum
yang terjadi pada turbin Cross-flow tersebut maka persamaan
untuk mengetahui gaya yang terjadi pada turbin Cross-flow
yaitu sebagai berikut,
F =
Q { – – } ...........[10]
F =
Q (V2 cos α2 + V1 cos α1) .......................[11]
dimana:
V1
V2
α1
α2
=
=
=
=
Kecepatan air masuk tahap pertama (m/s)
Kecepatan air keluar tahap kedua (m/s)
Sudut kecepatan absolut air masuk (rad)
Sudut kecepatan absolut air keluar (rad)
Pemanfaatan energi air menggunakan turbin Cross-flow
dilakukan sebanyak dua tahap yaitu pada tahap pertama dan
Turbin Impuls 53
tahap kedua. Aliran air yang masuk kedalam turbin Cross-flow
melalui sudu runner pada tahap pertama dan keluar dari turbin
melalui tahap kedua serta diagram kecepatan dijelaskan seperti
gambar berikut ini.
Gambar 21. Air melalui sudu runner dan diagram kecepatan
Suatu turbin air dapat dikatakan baik apabila mampu
menghasilkan kinerja yang maksimal. Kinerja turbin air dapat
diukur dari berapa daya mekanik dan efisiensi yang dihasilkan
turbin. Sebuah turbin dapat dikatakan memiliki kinerja yang
54 Turbin Impuls
baik jika turbin tersebut mampu menghasilkan daya mekanik
yang besar dan efisiensi yang tinggi. Daya yang mampu
diproduksi (dihasilkan) oleh runner turbin Cross-flow secara
teoritis dapat diketahui berdasarkan besarnya gaya yang
menumbuk sudu dan juga berdasarkan kecepatan keliling
runner turbin.
Gaya yang dihasilkan runner turbin Cross-flow diperoleh
berdasarkan kecepatan air (perubahan momentum) dan arah
aliran air yang membentuk sudut tertentu pada saat menumbuk
sudu turbin. Sehingga daya mekanik yang mampu dihasilkan
oleh runner turbin Cross-flow secara teoritis dapat diketahui
berdasarkan persamaan berikut.
Po =
Q (V2 cos α2+V1 cos ) .......................[12]
dimana:
Po
=
=
Daya yang dihasilkan runner turbin (watt)
Kecepatan keliling runner turbin (m/s)
Untuk melakukan perhitungan daya yang dihasilkan
turbin secara teoritis maka perlu dilakukan analisa arah aliaran
air yang masuk dan keluar pada tahap pertama dan arah aliran
air yang masuk dan keluar pada tahap kedua. untuk melakukan
analisa tersebut maka dapat digunakan diagram segitiga
kecepatan yang digunakan untuk menghitung kinerja turbin air
Cross-flow.
Berdasarkan Gambar 21. Air melalui sudu runner dan
diagram kecepatan didapatkan diagram segitiga kecepatan
yaitu seperti gambar berikut ini.
Turbin Impuls 55
Gambar 22. Diagram Segitiga Kecepatan
Dimana,
Vr1
Vr2
=
=
Kecepatan relatif pada tahap pertama (m/s)
Kecepatan relatif pada tahap kedua (m/s)
Kecepatan relatif merupakan kecepatan air yang masuk
kedalam turbin setelah menumbuk sudu dengan sudut tertentu.
Sudut yang dibentuk oleh kecepatan relatif disebabkan oleh
arah aliran air yang berubah setelah air tersebut menumbuk
sudu turbin. Kecepatan relatif akan lebih kecil jika
dibandingkan dengan kecepatan air yang masuk turbin, hal ini
terjadi karena energi kinetik (kecepatan) air akan berubah
setelah menumbuk sudu. Perbedaan antara kecepatan air yang
masuk kedalam turbin dengan kecepatan relatif air akibat
menumbuk sudu itulah yang menjadi gaya dorong turbin yang
akhirnya menjadi kecepatan keliling runner turbin.
Berdasarkan Gambar 22. Diagram Segitiga Kecepatan
maka diperoleh persamaan untuk mengetahui kecepatan
keliling runner turbin Cross-flow yaitu.
= Vr2 cos β2 – V2 cos α2 ...................................[13]
Kecepatan keliling runner turbin Cross-flow pada tahap
pertaman dan pada tahap kedua akan memilik nilai yang sama,
karena terdapat pada satu runner turbin yang sama. Sehingga
= maka persamaannya kecepatan keliling runner turbin
Cross-flow menjadi,
56 Turbin Impuls
= = Vr2 cos β2 – V2 cos α2 ......................[13']
Dengan melakukan perpindahan ruas atau transposisi
persamaan [13] maka diperoleh persamaan sebagai berikut,
V2 cos α2 = Vr2 cos β2 – ...................................[14]
Dimana β2 merupakan sudut kecepatan relatif atau
sudut yang dibentuk oleh aliran air akibat perubahan arah
aliran air setelah menumbuk sudu runner turbin pada tahap
kedua. Dan β1 merupakan sudut kecepatan relatif atau sudut
yang dibentuk oleh aliran air akibat perubahan arah aliran air
setelah menumbuk sudu runner turbin pada tahap pertama.
Posisi pemanfaatan energi air pada tahap kedua berada
dibawah tahap pertama sehingga terdapat perbedaan ketinggian
(head) antara tahap pertama dan tahap kedua, namun
perbedaan tersebut sangat kecil sehingga dapat diabaikan.
Dengan asumsi peningkatan kecepatan air yang disebabkan
perbedaan head antara titik 1 dan 2 seperti pada Gambar 21.
Air melalui sudu runner dan diagram kecepatan dapat
diabaikan serta mempertimbangkan faktor gesekan antara air
dengan sudu runner turbin maka diperoleh persamaan untuk
kecepatan relatif pada tahap kedua yitu sebagai berikut,
Vr2 = Vr1 .................................................[15]
Dimana adalah koefisien empiris bedasarkan kekasaran
bahan yang digunakan untuk pembuatan sudu runner turbin
yang biasanya diambil sekitar 0.98.
Berdasarkan Gambar 22. Diagram Segitiga Kecepatan
diperoleh persamaan yaitu sebagai berikut,
V1 cos = + Vr1 cos β1 ..................................[16]
Turbin Impuls 57
Dengan melakukan transposisi persamaan [16] kecepatan
keliling runner turbin maka persamaannya menjadi,
Vr1 cos β1 = V1 cos – ..................................[17]
Sehingga kecepatan relatif runner turbin menjadi,
Vr1 =
..................................[18]
Dengan melakukan substitusi persamaan [14] kedalam
persamaan [12] maka diperoleh persamaan untuk daya yang
dihasilkan runner turbin yaitu sebagai berikut,
Po =
Q (Vr2 cos β2 + V1 cos ) ...........[19]
Dengan melakukan substitusi persamaan [15] kedalam
persamaan [19] maka diperoleh persamaan untuk daya yang
dihasilkan runner turbin yaitu sebagai berikut,
Po =
Q { } ........[16]
Dengan melakukan substitusi persamaan [18] kedalam
persamaan [20] maka diperoleh persamaan untuk daya yang
dihasilkan runner turbin yaitu sebagai berikut,
Po =
.Q.{ (
) } ..[21]
Setelah dilakukan penyederhanaan persamaan [21] maka
diperoleh persamaan untuk mengetahui daya mekanik yang
dihasilkan turbin Cross-flow yaitu sebagai berikut.
58 Turbin Impuls
Po =
Q (V1 cos ) (
) ......[22]
Dengan persamaan [22] maka daya turbin secara teoritis
dapat diketahui dengan mempertimbangkan berapa debit air
yang digunakan dan sudut nosel.
5.4.3 Perhitungan Daya Air
Perencanaan pembangkit listrik tenaga air sangat
dipengaruhi oleh besarnya daya air yang digunakan, sehingga
sumber daya air merupakan salah satu faktor yang sangat
penting didalam melakukan perencanaan turbin Cross-flow.
Daya air yang digunakan dalam pembangkit listrik tenaga air
akan mempengaruhi dimensi atau ukuran dari turbin Cross-
flow. Data-data mengenai besarnya daya air yang digunakan
dapat diperoleh dari observasi atau survei dilokasi dimana
turbin Cross-flow akan diaplikasikan dan juga berdasarkan
pertimbangan dalam perhitungan beberapa head loss) kerugian
yang disebabkan oleh beberapa faktor yaitu faktor gesekan
atau yang biasa disebut dengan head loss mayor dan juga yang
disebabkan oleh adanya nosel pada turbin atau yang biasa
disebut dengan head loss minor.
Untuk melakukan perhitungan besarnya daya air yang
digunakan dapat diketahui menggunakan beberapa perhitungan
seperti dijelaskan berikut ini.
a. Kecepatan aliran air
Kecepatan aliran air merupakan salah satu faktor yang
dapat mempengaruhi besarnya head loss mayor akibat gesekan
yang terjadi antara air dan dinding pipa. Dan untuk mengetahui
berapa besarnya kecepatan aliran air pada saluran pipa atau
penstocks dapat diketahui dengan persamaan kontinuitas.
Adapun persamaannya yaitu sebagai berikut.
Turbin Impuls 59
=
...........................................................[23]
Dimana:
= Kecepatan aliran air (m/s)
= Debit air yang digunakan (m3/s)
= Luas penampang pipa pesat (Penstocks) (m2)
b. Jenis aliran
Jenis aliran atau karakter aliran merupakan faktor yang
berpengaruh terhadap besarnya kerugian yang disebabkan oleh
gesekan antara air dan dinding pipa.
Salah satu faktor yang mempengaruhi head loss mayor
yaitu bilangan Reynold. Bilangan Reynold merupakan bilangan
yang menyatakan karakter suatu aliran fluida. Bilangan
Reynold dibagi kedalam tiga jenin yaitu laminar dengan
batasan nilai Reynold yaitu Re > 2300, transisi memiliki
batasan nilai Reynold yaitu 2300 < Re > 4000 dan turbulen
dengan batasan nilai Reynold yaitu Re < 4000. Dan untuk
mengetahui jenis atau karakteristik aliran air yang terjadi
didalam pipa saluran atau penstocks atau bilangan Reynold
dapat digunakan persamaan yaitu sebagai berikut.
=
...............................................[24]
Dimana:
= Bilangan Reynold
= Massa jenis air (kg/m3)
= Kecepatan aliran air (m/s)
= Diameter dalam pipa (m)
= Viskositas dinamik (N.s/m2)
60 Turbin Impuls
c. Mayor losses
Mayor losses atau yang disebut dengan kerugian mayor
adalah kerugian yang disebabkan oleh faktor gesekan yang
terjadi antara fluida air dengan dinding dalam pipa saluran
(penstocks). Ada beberapa faktor yang mempengaruhi head
loss mayor atau mayor losses yaitu kecepatan aliran, diameter
pipa atau saluran dan kekasaran permukaan pipa yang
diperoleh berdasarkan bahan pipa.
Besarnya kerugian akibat gesekan mayor losses atau
head loss mayor dapat digunakan persamaan yaitu sebagai
berikut.
HL(mayor) = ƒ.
...................................[25]
Dimana:
HL(mayor) = Kerugian head karena gesekan (m)
= Diameter dalam pipa (m)
= Panjang pipa (m)
= Kecepatan aliran fluida (m/s)
= Percepatan gravitasi (m/s2)
ƒ = Koefisien gesekan
Nilai ƒ merupakan koefisien gesekan dan merupakan
fungsi dari bilangan Reynold dan perbandingan antara bahan
dan diameter pipa ( ,
), dengan adalah nilai kekasaran
pipa yang besar atau kecil nilainya sangat dipengaruhi oleh
bahan pipa (penstocks) atau saluran yang digunakan.
Untuk jenis aliran laminar yang sudah berkembang penuh
besar atau kecil nilai ƒ dapat diketahui dengan membangi nilai
64 dengan bilangan Reynold (
) sedangkan untuk jenis
aliran turbulen besar atau kecin nilai ƒ sangat dipengaruhi oleh
Turbin Impuls 61
faktor independen yaitu besarnya gesekan dan diameter dari
pipa saluran, sehingga ƒ = ( ,
).
Untuk mengetahui nilai koefisien gesekan (ƒ) dapat
diketahui dengan diagram moodychat yaitu sebagai berikut.
Gambar 23. Diagram Moodychat
Sedangkan untuk mengetahui nilai kekasaran pipa
bedasarkan bahan pipa dapat digunakan tabel berikut.
Tabel 7. Tabel Kekasaran Pipa Pipe Equivalent Roughness, ɛ
Feet Millimeters
Riveted steel
Concrete
Woood stave
Cast iron
0.003-0.03
0.001-0.01
0.0006-0.003
0.00085
0.9-9.0
0.3-3.0
0.18-0.9
0.26
62 Turbin Impuls
Galvanized steel
Commercial steel or wrought iron
Drawn tubing
Plastic, glass
0.0005
0.00015
0.000005
0.0 (smooth)
0.15
0.045
0.0015
0.0 (smooth)
Sumber: (Munson et al. 2013)
d. Minor losses
Minor losses (head loss minor) merupakan head loss
atau kerugian yang diakibatkan karena adanya percabangan,
adaanya katub, belokan saluran pipa, pengecilan atau
pembesaran pipa dan juga karena adanya nosel. Dengan
pertimbangan beberapa faktor tersebut maka akan berpengaruh
terhadap head bersih air sehingga mempengaruhi daya air yang
akan digunakan untuk menggerakkan turbin. perhitungan
minor losses yaitu sebagai berikut.
HL (minor) = k .
...................................[26]
Dimana:
HL (minor) = Kerugian head (m)
= Kecepatan aliran fluida (m/s)
= Percepatan gravitasi (m/s2)
k = koefisien kerugian minor losses
Nilai aktual untuk koefisien kerugian minor losses
tergantung terhadap geometri k nosel dan juga tergantung pada
jenis aliran (sifat fluida), sehingga nilai k = ϕ merupakan
fungsi dari Geometri, Re. Untuk mengetahui nilai koefisien
minor losses akibat adanya nosel atau pengecilan saluran dapat
digunakan gambar berikut.
Turbin Impuls 63
Gambar 24. Jenis Geometri nosel
e. Head efektif
Head efektif atau yang biasa disebut dengan head bersih.
Head efektif yaitu head yang sudah mempertimbangkan faktor
gesekan yang terjadi pada pipa atau mayor losses dan nosel
atau minor losses. Persamaan untuk mengatahui besarnya head
efektif yaitu seperti berikut ini.
He = H – HL (mayor) – HL (minor) .......................[27]
Dimana:
He = head efektif (m)
H = Ketinggian/head (m)
HL (mayor) = Kerugian head karena gesekan (m)
HL (minor) = kerugian head akibat nosel (m)
(a) (b)
(c) (d)
Keterangan:
(a) Reentrant, KL= 0,8
(b) Sharp-edged, KL = 0,5
(c) Slightly rounded, KL = 0,2
(d) Well-rounded, KL = 0,04
64 Turbin Impuls
Berdasarkan persamaan sebelumnya tentang perhitungan
head losses (kerugian), maka daya air yang digunakan dalam
PLTMH dapat ditentukan.
Adapun perhitungan yang digunakan untuk mengetahui
besarnya daya air yang digunakan yaitu dengan persamaan
berikut.
Pair = ρ. .He.Q ...............................................[28]
Atau,
Pair = .He.Q ...............................................[29]
Dimana:
Pair
ρ
He
Q
=
=
=
=
=
=
Daya air (W)
Massa jenis air (kg/m3)
Gaya grafitasi (m/s2)
Head efektif atau ketinggian (m)
Debit air (m3/s)
Berat jenis air (N/m3)
Untuk melakukan pengujian daya air dengan kapasitas
aliran yang cukup besar sangat sulit dilakukan, sehingga
perhitungan daya air yang akan digunakan dalam PLTMH
dapat dihitung secara teoritis. Untuk mengetahui daya air yang
digunakan maka perlu diketahui kecepatan aliran air dan luas
saluran air. Untuk pengujian kecepatan aliran air biasanya
dilakukan dengan menggunkan benda terapung yang letakkan
pada permukaan air, kemudian ditentukan jarak aliran benda
terapung tersebut dan diukur waktu yang digunakan untuk
mencapai jarak tersebut. Dari perngujian dan perhitungan
tersebut maka keceapatan alira air dapat diketahui.
Kecepatan air jatuh (air terjun) dari ketinggian tertentu
secara teoritis dapat diketahui dengan persamaan berikut ini.
Turbin Impuls 65
V1 = √ ...............................................[30]
Sehingga Head efektif dapat diketahui dengan persamaan
berikut,
He =
...............................................[31]
dimana:
C = Koefisien nosel (hilangnya energi kinetik yang
melalui nosel biasanya diambil 0,98)
Dengan subtitusi persamaan [31] kedalam persamaan
[29] maka daya air secara teoritis yaitu sebagai berikut.
Pair =
...............................................[32]
Jika daya air yang digunakan dalam PLTMH diketahui
maka daya turbin dapat diperkirakan berdasarkan efisiensi
turbin.
5.4.4 Efisiensi Turbin Secara Teoritis
Kinerja turbin dapat diketahui berdasarkan daya dan
efisiensi yang mampu dihasilkan oleh turbin. semakin tinggi
efisiensi yang mampu dihasilkan turbin maka akan semakin
baik juga kenerja yang dihasilkan turbin.
Untuk mengetahui efisiensi yang mampu dihasilkan oleh
turbin dapat digunakan persamaan berikut ini.
=
...........................................................[33]
66 Turbin Impuls
Dengan mensubtitusi persamaan [22] dan [32] kedalam
persamaan [33] maka diperoleh persamaan untuk mengetahui
efisiensi turbin Cross-flow,
=
(
)
.........[34]
Dengan melakukan penyederhanaan persamaan [34]
maka diperoleh persamaan untuk mengetahui efisiensi turbin
yaitu,
= 2
(
) (
).......[35]
Dimana ( dan karena menggunakan sudut
sudu runner turbin yang sama),
= 2
(
) ...........[36]
Dengan asumsi bahwa besarnya koefisien kecepatan
dengan kondisi daya maksimal turbin secara teoritis yaitu,
=
.............................................[37]
Dengan melakukan perpindahan ruas atau transposisi
persamaan [37] maka diperoleh persamaan sebagai berikut,
Turbin Impuls 67
...............................................[38]
Jika persamaan [38] disubtitusi kedalam persamaan [36]
maka diperoleh persamaan untuk efisiensi maksimal turbin
secara teoritis yaitu,
= 2
(
)........[39]
Dengan melakukan penyederhaan persamaan [39] maka
diperoleh persamaan berikut,
= 2
(
) .......................[40]
= 2
.......................[41]
Dengan melakukan penyederhaan persamaan [41] maka
secara perhitungan (teoritis) efisiensi maksimal yang mampu
dihasilkan turbin air Cross-flow dapat diperoleh berdasarkan
sudut nosel. Adapun perhitungan efisiensi turbin Cross-flow
secara teoriti yaitu sebagai berikut.
=
(1 + ) .............................[42]
dimana:
= Efisiensi turbin
= Koefisien kekasaran nosel (0,98)
= Koefisien kekasaran sudu (0,98)
= Sudut nosel (º)
Untuk memperoleh kinerja turbin dengan efisiensi yang
tinggi (maksimal) maka perlu menggunakan kontruksi sudut
nosel yang sekecil mungkin, namun hal ini sangat sulit
68 Turbin Impuls
dilakukan. Sudut terkecil yang mampu atau pernah dibuat yaitu
16°, untuk sudut nosel dibawah 16° sangat sulit dilakukan.
Besarnya momen atau torsi yang dihasilkan oleh turbin
sangat dipengaruhi sudut air yang menumbuk sudu turbin
sehingga sudut momen adalah merupakan faktor pertimbangan
yang penting dilakukan untuk momentum linier. Persamaan
momen atau torsi pada turbin Cross-flow secara teoritis yaitu
sebagai berikut,
. = ∑ ( ) ∑ ( ) ................[43]
Untuk lebih memudahkan dalam memahami persamaan
tiga dimensi seperti pada persamaan [43], maka untuk turbin
air digunakan koordinat berputar seperti pada gambar berikut,
Gambar 25. Definisi sketsa untuk sistem koordinat silinder
Bentuk tangensial merupakan bagian yang menghasilkan
torsi sehingga merupakan hal yang sangat penting dalam turbin
air. Kecepatan tangensial merupakan kecepatan absolut air
yang masuk kedalam turbin dengan sudut tertentu sehingga
menghasilkan momen atau torsi pada turbin. sehingga torsi
yang dihasilkan turbin secara teoritis dipengaruhi oleh laju
Turbin Impuls 69
aliran massa air pada turbin, kecepatan aliran air yang masuk
dan sudut yang dibentuk air ketika menumbuk sudu, sehingga
persamaannya yaitu sebagai berikut,
r. = ∑ - ∑ ..............[44]
Sedangkan untuk torsi yang mampu dihasilkan oleh
turbin berdasarkan pengujian diperoleh dari pengujian torsi
yang dipengaruhi oleh gaya yang dihasilkan turbin pada jarak
tertentu dari titik pusat runner turbin sehingga persamaannya
yaitu sebagai berikut,
T = r . .........................................................[45]
Daya yang dihasilkan turbin dipengaruhi oleh torsi dan
kecepatan sudut turbin. Kecepatan sudut suatu turbin dapat
diperoleh dengan mengetahui kecepatan keliling turbin pada
jari-jari runner tertentu, sehingga persamaan untuk mengetahui
daya yang dihasilkan turbin air menjadi,
= T
.........................................................[46]
Jika persamaan [45] disubtitusi kedalam persamaan [46]
maka diperoleh persamaan berikut,
= r .
.................................................[47]
Dengan melakukan penyederahaan persamaan [47] maka
diperoleh persamaan berikut,
= ...............................................................[48]
70 Turbin Impuls
Pada prinsip kerjannya aliran air pada turbin Cross-flow
akan melalui dua tahap, sehingga energi diekstrak dalam dua
tahap. Jika persamaan [7] disubtitusi kedalam persamaan [48]
maka persamaan energi untuk turbin Cross-flow dapat ditulis
berdasarkan energi yang dihasilkan dari setiap tahap.
=
Q {(
)⏟
( )⏟
} ....[49]
Untuk daya turbin air Cross-flow secara teoritis yang
dihasilkan pada tahap pertama dan dan tahap kedua yaitu
= + .............................................[50]
Daya yang dihasilkan runner turbin pada tahap pertama yaitu,
=
Q (
) ..........................[51]
Daya yang dihasilkan runner turbin pada tahap kedua yaitu,
=
(
) ..........................[52]
Dengan menggunakan Gambar 22. Diagram Segitiga
Kecepatan dan jika diasumsikan besarnya nilai koefisien
empiris adalah sama dengan satu (1) serta kecepatan keliling
runner turbin bagian luar pada tahap pertama sama dengan
kecepatan keliling runner turbin bagian luar pada tahap kedua
( ) karena terjadi pada satu buah runner yang sama dan
kecepatan keliling runner turbin bagian dalam pada tahap
pertama sama dengan kecepatan keliling runner turbin bagian
dalam pada tahap kedua (
) maka diperoleh persamaan
berikut,
Turbin Impuls 71
= + Vr1 cos β1 ......................................[53]
Dan
= – Vr2 cos β1 ......................................[54]
Dimana;
= Kecepatan tangensial tahap pertama (m/s)
= Kecepatan tangensial tahap kedua (m/s)
Kecepatan tangensial tahap pertama merupakan
kecepatan absolut air yang masuk kedalam turbin, sehingga
. Jika diasumsikan kecepatan relatif air yang
menumbuk sudu pada tahap pertama sama dengan kecepatan
keliling runner turbin pada tahap pertama maka diperoleh
persamaan berikut,
= ............................................................[55]
= ............................................................[56]
= .............................................................[57]
Jika diasumsikan = persamaan [55] disubtitusi
kedalam persamaan [53] maka
= + cos β1 ........................................[58]
Dengan melakukan penyederhanaan persamaan [58] diperoleh
persamaan berikut,
= (1 + cos β1) ........................................[59]
72 Turbin Impuls
Dengan meninjau kembali persamaan [16] dan
melakukan transposisi serta subtitusi persamaan [55] maka
diperoleh persamaan berikut,
=
...........................................[60]
Perbandingan Kecepatan keliling suatu benda berputar
antara kecepatan keliling pada diameter dalam dengan
kecepatan keliling pada diameter luar akan berbanding terbalik
dengan perbandingan diameternya sehingga persamaan yaitu
seperti berikut,
=(
) .......................................................[61]
Sehingga besarnya daya yang mampu dihasilkan turbin Cross-
flow secara teoritis pada tahap pertama yaitu
=
Q(
) ...........................[62]
Dengan mensubtitusi persamaan [53] dan persamaan [56]
kedalam persamaan [62] maka diperoleh persamaan berikut,
=
Q{(
)} ..[63]
Dengan mensubtitusi persamaan [62] dan melakukan
penyederhanaan persamaan [63] maka diperoleh persamaan
berikut,
=
Q {( (
) )} .[64]
Turbin Impuls 73
Dengan mensubtitusi persamaan [61] dan melakukan
penyederhanaan persamaan [64] maka diperoleh persamaan
berikut,
=
Q {(
(
)
)} ..[65]
Dengan melakukan penyederhanaan persamaan [65]
maka diperoleh persamaan berikut,
=
Q
( (
)
) .......[66]
Daya yang mampu dihasilkan turbin Cross-flow pada
tahap kedua secara teoritis yaitu
=
(
) ...........................[67]
Dengan mensubtitusi persamaan [57] dan persamaan [54]
kedalam persamaan [67] dan dengan asumsi = maka
diperoleh persamaan berikut,
=
(
– ) .....[68]
Dengan meninjau persamaan [15] dan pertimbangan
koefisien kekasaran permukaan sudu sama dengan satu maka
diperoleh persamaan berikut,
=
(
– ) .....[69]
74 Turbin Impuls
Dengan melakukan penyederhanaan persamaan [69]
maka diperoleh persamaan berikut,
=
((
)
) ..[70]
Dengan mensubtitusi persamaan [61] kedalam persamaan
[70] maka diperoleh persamaan berikut,
=
((
)
) .[71]
Dengan melakukan penyederhanaan persamaan [71]
maka diperoleh persamaan berikut,
=
((
)
) ........[72]
Sehingga perbandingan antara daya turbin Cross-flow
secara teoritis untuk tahap pertama dan daya turbin Cross-flow
secara teoritis untuk tahap kedua tahap yaitu:
( ( ) )
(( ) )
.............[73]
Dengan melakukan penyederhanaan persamaan [73]
maka diperoleh persamaan berikut,
( (
) )
(( ) )
........................[74]
Turbin Impuls 75
Dengan diasumsikan perbandingan diameter dalam
runner turbin dan diameter luar runner turbin (D2/D1) yang
mampu menghasilkan efisiensi turbin maksimal yaitu 2/3 dan
sudut =30˚ maka
( (
) )
((
) )
........................[75]
Dengan melakukan perhitungan maka diperoleh
persamaan berikut,
4,58 .................................................[75]
Sehingga secara teoritis daya yang dihasilkan turbin pada
tahap pertama yaitu 4,58 kali lebih besar jika dibandingakan
dengan tahap kedua.
Sehingga penjumlahan total daya yang dihasilkan turbin
Cross-flow secara teoritis yaitu,
+ = ..............................................[76]
Dengan mensubtitusi persamaan [75] kedalam persamaan
[76] maka dipeorleh persamaan berikut,
+
= ..............................................[77]
Sehingga daya yang dihasilkan turbin secara teoritis pada
tahap pertama dari daya total yang dihasilkan turbin yaitu,
76 Turbin Impuls
= 0,82 ..............................................[78]
dan daya yang dihasilkan turbin secara teoritis pada tahap
kedua dari daya total yang dihasilkan turbin yaitu,
= 0,18 ................................................[79]
5.4.5 Perencanaan Runner
Runner adalah salah satu komponen utama dan
komponen yang paling penting dari turbin Cross-flow. Runner
adalah bagian yang menerima momentum air sehingga
berpengaruh terhadap kinerja turbin. Desain turbin sangat
berpengaruh terhadap kinerja turbin, sehingga perlu ketelitian
dalam perhitungan dan perencanaan desan turbin.
a. Diameter luar (D1) dan lebar sudu (L) runner turbin
Persamaan yang dapat digunakan untuk mengetahui
diameter luar runner turbin Cross-flow dapat diperoleh
berdasarkan prinsip kontinuitas.
Besarnya debit air diperoleh dari luas penampang saluran
dan kecepatan fluida air, sehingga untuk mengetahui luas
runner turbin yaitu.
Q = L D1 V ...............................................[80]
Dengan mensubtitusi persamaan [30] kedalam persamaan
[80] maka diperoleh persamaan berikut,
Q = L D1 √ ...................................[81]
Jika persamaan [81] ditranposisi maka lebar dan diameter
(luas) runner turbin Cross-flow yaitu.
Turbin Impuls 77
LD1 =
√ ...................................[82]
Jika nila dan disubtitusi kedalam
persamaan [82] maka diperoleh persamaan berikut.
LD1 =
√ .......................[83]
Dengan melakukan penyederhaan persamaan [83] maka
diperoleh persamaan berikut.
LD1 =
√ ...............................................[84]
Dimana:
LD1
Q
He
C
V
=
=
=
=
=
=
Luas runner (m2)
Debit air (m3/s)
Head efektif (m)
Koefisien eksperimen/konstanta (0,075 -
0,10)
diambil 0,0875
Koefisien nosel (0,98)
Kecepatan aliran air secara teoritik (m/s)
b. Diameter dalam runner
Berdasarkan asumsi bahwa perbandingan diameter dalam
runner dan diameter luar runner yaitu 2/3 maka persamaan
untuk diameter dalam yaitu,
D2 = ⁄ ...............................................[85]
78 Turbin Impuls
Dimana:
= Diameter luar runner turbin (m)
D2 = Diameter dalam runner turbin (m)
c. Kecepatan maksimal runner
Besarnya kecepatan putaran runner turbin Cross-flow
sangat dipengaruhi oleh kecepatan keliling dan diameter
runner. Sehingga kecepatan putaran runner dengan efisiensi
maksimal yaitu sebagai berikut,
u1 =
...............................................[86]
jika persamaan [37] disubtitusi kedalam persamaan [86]
maka diperoleh persamaan berikut,
=
...............................................[87]
jika persamaan [30] disubtitusi kedalam persamaan [87]
maka diperoleh persamaan berikut,
√
=
.......................[88]
Dengan mensubtitusi nilai dan
serta tranposisi persamaan [88] maka diperoleh persamaan
berikut,
= √
...................................[89]
Turbin Impuls 79
Jika pada sudut nosel 16˚ diasumsikan sebagai putaran
turbin maksimal maka:
= √
...............................................[90]
Dimana:
= Putaran maksimal turbin (rpm)
He = Head efektif (m)
D1 = Diameter luar runner turbin (m)
d. Tebal nosel
Nosel atau yang biasa disebut distributor pada turbin
Cross-flow berfungsi untuk mengarahkan aliran air sehingga
dapat secara efektif meneruskan energinya ke runner. Dimana
nosel pada turbin Cross-flow berbentuk persegi panjang dengan
lebar sesuai dengan lebar runner. Untuk tebal semburan nosel
( ) turbin Cross-flow dapat diperoleh dengan menggunakan
persamaan kontinuitas.
Sehingga persamaannya yaitu sebagai berikut .
Q = A . V ........................................................[91]
Dimana:
Q
A
V
=
=
=
Debit air (m3/s)
Luas nosel (m2)
Keecepatan aliran air secara teoritik (m/s)
Dengan memasukkan persamaan [30] kedalam
persamaan [91] dan luas nosel diperoleh dari tebal dan lebar
semburan nosel karena berbentuk persegi maka diperoleh
persamaan berikut,
80 Turbin Impuls
Q = L C√ ...................................[92]
Dengan melakukan transposisi persamaan [92] maka
diperoleh persamaan berikut,
=
√ ...............................................[93]
Jika nilai dan disubtitusi kedalam
persamaan [93] maka diperoleh persamaan berikut,
= 0,23
√ ...............................................[94]
Dimana:
= Ketebalan semburan nosel (m)
L = Lebar sudu (runner) turbin (m)
Q = Debit air (m3/s)
He = Head efektif (m)
C = Koefisien nosel (0,98)
e. Sudut sudu
Didalam melakukan desain turbin Cross-flow sudut
masuk dan keluar sudu harus dipilih secara tepat sehingga
pemanfaatn daya air dapat dilakukan secara efisien baik pada
tahap pertama maupun tahap kedua. Sudut 1 merupakan sudut
yang dibentuk oleh kecepatan relatif dari air (Vr) dan kecepatan
keliling runner (u). Sudut masuk dan keluar sudu turbin
mempengaruhi kinerja turbin Cross-flow.
Untuk memperoleh efisiensi maksimal sudut dari kurva
sudu masuk harus sama atau mendekati sudut yang dibentuk
oleh air setelah menumbuk sudu atau sudut kecepatan relatif
(1). Tahap pertama pintu masuk sudut sudu terkait dengan
Turbin Impuls 81
sudut tahap pertama dari serangan , menurut segitiga
kecepatan masuk seperti pada gambar berikut.
Gambar 26. Diagram kecepatan
Dari Gambar 26. Diagram Kecepatan diperoleh
persamaan berikut,
V1 cos = u1 + cos ..................................[95]
Dengan melakukan transposisi persamaan [95] maka
diperoleh persamaan berikut,
cos = V1 cos u1 .......................[96]
Jika persamaan [37] disubtsitusi kedalam persamaan [96]
maka dapat diperoleh persamaan yaitu:
cos = V1 cos
.......................[97]
Dengan melakukan penyederhaan persamaan [97] maka
diperoleh persamaan berikut,
cos =
...............................................[98]
Dengan menggunakan persamaan [98] dan diagram
82 Turbin Impuls
kecepatan pada Gambar 26 maka akan diperoleh persamaan
berikut,
tan =
...............................................[99]
jika persamaan [99] dilakkukan penyederhanaan
berdasarkan identitas matematika maka diperoleh persamaan
berikut,
tan = 2 tan .............................................[100]
Jika sudut nosel terlalu kecil maka akan sangat sulit
untuk dibuat, maka diasumsikan sudut terkecil yang bisa dibuat
yaitu =16º maka = 29º50´ atau 30º. Sudut yang dibentuk
antara sudu turbin bagian dalam dan sudu turbin bagian dalam
dapat ditentukan dengan mengikuti gambar berikut ini.
Gambar 27. Diagram Kecepatan Gabungan
Turbin Impuls 83
Gambar 27. Diagram Kecepatan Gabungan merupakan
diagram gabungan dari diagram tahap pertama dan diagram
tahap kedua. Jika diasumsi kecepatan pada sisi masuk dan
kecepatan sisi keluar absolut memiliki nilai yang sama dan
karena =
maka segitiga kecepatan adalah sebangun dan
( dan
) jatuh dalam arah yang sama.
Dengan asumsi tidak ada kerugian akibat tumbukan pada
sisi masuk runner turbin pada titik = 90º, maka ujung bagian
dalam dari sudu turbin Cross-flow pasti akan membentuk radial.
Perbedaan sudut kemiringan sisi keluar dan sisi masuk roda
turbin (antara B dan C) bisa berbeda dari
jika tidak ada
kerugian diantara dua titik ini.
(a)
(b)
Gambar 28. Diagram kecepatan sisi keluar dan masuk
f. Jarak sudu
Jarak antara sudu merupakan jarak antara dua buah sudu
yang tersusun pada runner turbin cross-flow. jarak antar sudu
merupakan celah yang dilewati air ketika masuk dan keluar
runner turbin, sehingga jarak antar sudu harus sesuai dengan
tebal pancaran nosel.
84 Turbin Impuls
Ketebalan semburan nosel dapat disebut juga dengan
jarak sudu. Sehingga ketebalan semburan nosel dapat diukur
pada sudut kanan ke kecepatan relatif.
= D1 .........................................................[101]
Ketebalan semburan dari sudu masuk tingkat pertama atau
tebal semburan nosel dan ketebalan semburan air dari
sudu (tebal semburan nosel) keluar erat kaitannya dengan rasio
atau perbandingan diameter dalam dan diameter luar (D2/D1)
atau rasio (perbandingan) radius (r2/r1) seperti Gambar 29.
Gambar 29. Jarak (spasi) Sudu
Dari Gambar 29. Jarak (spasi) Sudu maka diperoleh persamaan
berikut
=
........................................................[102]
Turbin Impuls 85
Dengan mensubtitusi persamaan [101] kedalam persamaan
[102] maka diperoleh persamaan berikut,
=
.........................................................[103]
Jika diasumsikan kinerja turbin maksimal pada sudut
= 30º maka persamaannya menjadi,
t1 = 0,175 D1 .............................................[104]
Dimana:
D1
=
=
=
=
Jarak antar sudu (m)
Tebal semburan nosel (m)
Koefisien eksperimen/konstanta (0,075-0,10)
diambil 0,0875
Diameter luar runner turbin (m)
g. Jari-jari kelengkungan sudu
Radius atau jari-jari kelengkungan sudu runner turbin
merupakan bagian penting dari runner. Radius kelengkungan
sudu akan mempengaruhi sudut aliran air yang keluar dari
tahap pertama. Jika sudut keluaran air pada tahap pertama tidak
tepat maka pemanfaatan energi air pada tahap kedua tidak akan
memberikan daya dorong tetapi justru akan membebani
putaran turbin karena menumbuk bagian belakang sudu.
Akibatnnya kinerja turbin akan menurun dan daya yang
dihasilkan juga cenderung lebih rendah. Atas dasar
pertingbangan tersebut maka desain radius atau jari-jari
kelengkungan sudu harus dilakukan dengan penuh
pertimbangan.
Adapun radius sudu runner turbin Cross-flow yaitu
seperti ditunjukkan pada Gambar jari-jari kelengkungan sudu
berikut ini.
86 Turbin Impuls
Gambar 30. Jari-Jari Kelengkungan Sudu
Dari gambar 30. Jari-Jari Kelengkungan Sudu dapat
ditetahui bahwa,
+
= +
2 cos .................[105]
Dengan melakukan transposisi persamaan [105] maka
diperoleh persamaan berikut,
+
2 cos .................[106]
Jika persamaan [106] dilakukan penyederhanaan dan
transposisi maka diperoleh persamaan berikut,
2 cos ................................[107]
= 2 cos ................................[108]
Turbin Impuls 87
=
...............................................[109]
Dengan diasumsikan bahwa rasio atau perbandingan
diameter dalam turbin dan diameter luar turbin (D2/D1) yang
menghasilkan efisiensi maksimal adalah 2/3 dan sudut = 30º
maka,
=
...............................................[110]
Dengan melakukan penyederhanaan persamaan [110]
maka diperoleh persamaan berikut,
=
...............................................[111]
rb = 0,163 D1 ...............................................[112]
Dimana:
rb = Jari-jari kelengkungan sudu/blade (m)
D1 = Diameter luar runner turbin (m)
h. Jumlah sudu
Jumlah sudu (blade) adalah salah satu pertimbangan
penting dari desain runner turbin Cross-flow. Sudu berfungsi
menerima momentum dan menerima gaya dari fluida air.
Dengan jumlah sudu yang terlalu banyak juga akan
meningkatkan kerugian dan biaya pembuatan turbin. dengan
jumlah sudu yang semakin banyak maka akan memerlukan
material atau bahan yang banyak pula. Selain itu, dengan
jumlah sudu yang sedikit maka akan meningkatkan kerugian
yaitu terjadi pemisahan aliran pada sisi belakang jumlah sudu.
88 Turbin Impuls
Untuk merencanakan desain sudu runner turbin Cross-flow
khususnya jumlah sudu maka dapat digunakan persamaan
berikut.
N =
.............................................[113]
Dinama merupakan jari-jari luar runner turbin Cross-
flow dan sehingga persamaannya menjadi,
N =
.........................................................[114]
dengan mensubstitusi persamaan [101] dan [102]
kedalam persamaan [114] maka persamaannya menjadi,
N =
sin .........................................................[115]
Dimana:
N = Jumlah sudu
D = Diameter luar runner turbin (m)
= Jarak antar sudu (m)
5.5 Daya Yang Dihasilkan Turbin
Untuk mengetahui berapa besar daya yang mampu
dihasilkan oleh suatu turbin maka perlu dilakukan pengujian
torsi dan putaran pada penggerak mula turbin air tersebut.
Metode pengujian torsi turbin dilakukan dengan menggunakan
sistem pengeremen. Dengan sistem pengereman tersebut dapat
diperoleh besarnay torsi yang dihasikan turbin.
Sabuk V atau V-Belt merupakan salah satu komponen
utama dalam pengujian torsi turbin. Sabuk V berperan penting
dalam proses pengereman. Proses pengereman dolakukan
dengan memasangkan sabuk V pada puli yang terhubung pada
Turbin Impuls 89
poros turbin dengan sudut kontak antara sabuk V dan puli yaitu
θ=180º. Utnuk mengetahui torsi maka kedua ujung dari sabuk
V dihubungkan dengan timbangan dengan salah satu pengait
timbangan tersebut dipasang tetap tanpa penarikan, sedangkan
pengait timbangan lainnya akan mendapat perlakuan tarik.
Dalam proses pengereman maka akan diperoleh gaya tarik Fta
dan gaya tekan Fte. Selisih antara kedua gaya tersebut (Fta dan
Fte) itulah gaya pengereman (gaya gesek atau Fg). Pada kondisi
yang sama juga dilakukan pengujian putaran turbin mengetahui
kecepatan sudut atau keceparan putaran dari runner turbin.
Selain menggunakan belt dan puli, pengereman juga bisa
dilakukan dengan tipe rem yang lainnya untuk mengetahui torsi
yang dihasilkan turbin seperti rem cakram dan rem fluida
(Water Brake).
Pengujian Torsi yang dihasilkan oleh turbin dapat
menggunakan sistem rope brake seperti pada Gambar berikut
ini.
Gambar 31. Rope brake
Dan untuk mengetahui besarnya torsi yang dihasilkan
turbin dapat dicari dengan persamaan berikut ini.
T = Fg . r .........................................................[116]
90 Turbin Impuls
Dan kecepatan sudut runner turbin Cross-flow dapat
diketahui dengan dengan persamaan berikut,
ω =
........................................................[117]
Setelah torsi yang dihasilkan turbin pada putaran tertentu
dapat diketahui, maka langkah selanjutnya yaitu menghitung
besarnya daya turbin. Dan untuk mengetahui besarnya daya
yang mampu dihasilkan turbin dapat digunakan persamaan
berikut.
Pt = T . ω .........................................................[118]
dimana:
Pt = Daya yang dihasilkan turbin (W)
T = Torsi yang dihasilkan turbin (Nm)
Fg = Selisih gaya tarik dan tekan pada putaran
tertentu/ Fta – Fte atau F1 - F2 (N)
r = Jari-jari puli pada runner turbin (m)
ω = Kecepatan sudut turbin (rad/s)
n = Putaran turbin (rpm)
5.6 Efisiensi Turbin
Efisiensi turbin secara eksperimen diperoleh dari
membandingkan output (daya yang dihasilkan turbin) dan input
(daya air yang digunakan) yang terpakai.
Keberhasilan dalam suatu pembuatan turbin dapat dilihat
dari seberapa besar efisiensi yang mampu dihasilkan turbin.
Semakin tinggi efisiensi turbin maka semakin baik kualitas dari
turbin tersebut dalam memanfaatan energi yang bersumber dari
air.
Turbin Impuls 91
efisiensi mekanik turbin air dapat dihitung dengan
persamaan berikut.
ηt =
.............................................[117]
atau
ηt =
.............................................[118]
Dimana:
ηt = Efisiensi mekanik turbin
Pair = Daya air (W)
Pturbin = Daya turbin (W)
5.7 Daya Listrik Generator
Pada dasarnya setiap PLTMH digunakan untuk
menghasilkan daya listrik, sehingga output daya listrik
merupakan suatu hal penting untuk dipertimbangkan. Besarnya
daya yang dihasilkan oleh generator dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan berikut ini.
.
Pg = V . I ........................................................[119]
Dimana:
Pg = Daya listrik yang dihasilkan generator (W)
V = Beda potensial/tegangan (Volt)
I = Kuat arus (Ampere)
5.8 Efisiensi Sistem Pembangkit
Efisiensi sistem pembangkit merupakan salah satu
indikasi keberhasilan suatu PLTMH, semakin tinggi efisiensi
sistem pambangkit maka semakin baik kinerja suatu PLTMH.
92 Turbin Impuls
Untuk melakukan pengujian besarnya efisiensi dari
sistem pembangkit (PLTMH) maka perlu diketahui berapa
daya listrik yang dihasilkan oleh generator. Dimana daya listrik
dari generator dapat diketahui berdasarkan hasil pengujian
daya listrik (tegangan listrik dan besarnya arus listrik).
Efisiensi sistem pembangkit dengan penggerak mula
turbin Cross-flow dapat diketahui dengan persamaan berikut.
ηsp =
.......................................................[120]
Dimana:
ηsp = Efisiensi sistem pembangkit
Pair = Daya air (W)
Pg = Daya listrik yang dibangkitkan generator
(W)
Turbin Impuls 93
5.9 Rangkuman
Turbin Cross-flow merupakan jenis turbin implus yang
pertama kali dibuat dan dikembangkan di Eropa. Nama turbin
Cross-flow diambil berdasarkan aliaran air yang melintasi
kedua sudu gerak atau runner dalam menghasilkan energi
mekanis dalam bentuk putaran (rotasi). Turbin Cross-flow
terdiri dari tiga bagian utama yaitu roda jalan (runner), alat
pengarah atau distributor (nosel) dan rumah turbin. Turbin
Cross-flow menggunakan nosel yang berbentuk persegi
panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Runner
turbin Cross-flow dibuat dari beberapa sudu (Blade) yang
dipasang (dirangkai) pada sepasang piringan paralel. Turbin
Cross-flow secara umum dapat dibagi kedalam dua tipe yaitu
turbin Cross-flow kecepatan rendah dan turbin Cross-flow
kecepatan tinggi. Berdasarkan posisi penyemburan atau arah
aliran air yang masuk terhadap sumbu roda jalan (runner)
turbin Cross-flow dapat dibedakan atas tiga jenis yaitu posisi
vertikal, posisi horizontal dan posisi miring.
Perencanaan dan perhitungan turbin Cross-flow yaitu
sebagai berikut.
1. Diameter pipa
= √
2. Kecepatan air
=
3. Bilangan Reynold
=
4. Mayor losses
HL(mayor) = ƒ.
5. Minor losses (head loss minor)
94 Turbin Impuls
HL (minor) = k .
6. Head efektif
He = H – HL (mayor) – HL (minor)
7. Daya air yang digunakan yaitu dengan persamaan berikut.
Pair = ρ. .He.Q
Atau,
Pair = .He.Q
8. Daya air secara teoritis
Pair =
9. Efisiensi maksimal turbin Cross-flow
=
(1 + )
10. Perencanaan Runner Turbin Cross-flow
a. Diameter luar dan lebar sudu runner LD1 =
√
b. Diameter dalam runner D2 = ⁄
c. Putaran runner turbin maksimal = √
d. Tebal nosel = 0,23
√
e. Jarak antara sudu runner
t1 = 0,175 D1
f. Radius sudu runner
rb = 0,163 D1
g. Jumlah sudu (blade)
N =
h. Torsi
T = Fg . r
i. Dan kecepatan sudut runner
ω =
j. Daya yang dihasilkan turbin
Pt = T . ω
Turbin Impuls 95
11. Efisiensi mekanik turbin
ηt =
atau
ηt =
12. Daya listrik yang dihasilkan oleh generator.
Pg = V . I
13. Efisiensi sistem pembangkit
ηsp =
96 Turbin Impuls
BAB V TURBIN PELTON
5.1 Turbin Pelton
Turbin Pelton merupakan jenis turbin implus atau biasa
disebut juga dengan turbin tekanan sama. Turbin Pelton adalah
salah satu mesin-mesin fluida yang berfungsi untuk merubah
atau mengkonversi energi fluida (air) menjadi energi mekanik
yang kemudian energi mekanik tersebut dikonversi menjadi
energi listrik oleh generator.
Turbin Pelton adalah salah satu pengembangan turbin
implus yang pertama kali ditemukan oleh ilmuan yang bernama
S.N. Knight pada tahun 1872 dan N.J. Colena pada tahun 1873
dengan menggunakan sudu yang berbentuk seperti mangkok-
mangkok pada roda atau runner turbin. Kemudian turbin Pelton
dilakukan pengembangan oleh ilmuan amerika yang bernama
Lester G. Pelton (1880) dengan melakukan perbaikan atau
modifikasi yang diaplikasikan pada sudu atau mangkok turbin
Pelton. Perbaikan dilakukan dengan membuat mangkok ganda
yang simetris dan punggung yang membelah membagi jet
menjadi dua bagian (paruh) yang sama dan dibalikan
menyamping.
Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin implus
yang beroperasi pada head atau ketinggian yang sedang sampai
head atau ketinggian yang tinggi. Turbin Pelton dapat bekerja
(beroperasi) pada head sampai 1800 m. Debit air untuk turbin
jenis Pelton relatif lebih sedikit atau kecil jika dibandingkan
dengan turbin air lainnya.
Turbin Impuls 97
Pada turbin Pelton konversi energi air menjadi energi
mekanik (putaran) terjadi akibat pembelokan atau perubahan
arah aliran air pada mangkok ganda atau yang disebut runner.
Atas dasar pertimbangan proses tersebut turbin Pelton,
sehingga turbin Pelton disebut turbin pancaran bebas. Turbin
Pelton adalah salah satu jenis turbin yang memanfaatkan suatu
reaksi implus yaitu mementum atau tumbukan dari daya
hidrolisis atau daya air. Sehingga Kinerja turbin Pelton akan
semakin baik pada head atau ketinggian yang semakin tinggi.
Turbin Pelton merupakan turbin yang memiliki nilai kecepatan
kecepatan spesifik (Ns) yang lebih rendah atau kecil, namun
hal tersebut dapat diantisipasi dengan kecepatan putaran yang
tinggi dengan menggunakan jumlah nosel yang lebih banyak
untuk meningkatkan daya turbin pelton yang lebih tinggi atau
besar. Turbin Pelton mampu menghasilkan putaran yang
tinggi, sehingga dapat langsung diteruskan kegenerator tanpa
harus menggunakan transmisi.
Turbin Pelton merupakan jenis turbin implus atau turbin
aksi atau turbin tekanan pada sama karena aliran air yang
keluar dari nosel turbin pelton tekanannya sama dengan
tekanan atmosfir.
Gambar 32. Turbin Pelton
98 Turbin Impuls
Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu atau mangkok
yang digerakkan atau diputarkan oleh pancaran atau semburan
air yang disemburkan dari satu atau lebih alat pengarah atau
yang biasa disebut nosel. Turbin Pelton merupakan jenis turbin
air implus yang paling efisien pada head (tinggi jatuh air) yang
tinggi.
5.2 Prinsip Kerja Turbin Pelton
Berdasarkan Hukum kekekalan energi dapat diketahui
bahwa “energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat
dimusnahkan tetapi energi dapat dikonversikan kedalam
bentuk yang lain”. Sama halnya didalam sebuah turbin air
Pelton yang memenuhi prinsip-prinsip dasar atau kaidah energi
tersebut.
Arus air yang mengalir didalam sebuah pipa (penstocks)
mempunyai sejumlah energi kinetik lalu energi kinetik tersebut
dapat dikonversi menjadi energi yang lain, contohnya konversi
dari energi potensial kedalam energi kinetis dalam bentuk
kecepatan. Air yang mempunyai energi kinetis dan aliran air
tersebut dilewatkan melalui pipa saluran kemudian masuk
kedalam turbin air, maka energi kinetis tersebut yang ada
didalam air akan diubah atau dikonversi menjadi bentuk energi
mekanik dalam bentuk putaran.
Turbin Pelton merupakan satu dari beberapa jenis turbin
implus yang menggunakan prinsip kerja mengkonversi atau
mengubah energi potensial air menjadi energi kinetik dalam
bentuk semburan air pada nosel. Semburan air yang keluar dari
ujung nosel akan menumbuk sudu-sudu turbin Pelton yang
berbentuk seperti mangkok-mangkok pada roda jalan (runner)
sehingga terjadi perubahan momentum pada roda jalan yang
mengakibatkan roda jalan (runner) berputar.
Turbin Impuls 99
5.3 Tipe Turbin Pelton
Berdasarkan posisi porosnya secara umum turbin Pelton
diklasifikasikan menjadi dua jenis yaitu turbin poros horizontal
dan turbin poros vertikal.
a. Turbin Poros Horizontal
Turbin Pelton Poros Horizontal merupakan turbin
dengan poros runner atau roda jalan yang digunakan untuk
head kecil hingga menengah. Pada turbin Pelton poros
horizontal dapat menggunakan jumlah nosel yang banyak
sehingga mampu menghasilkan putaran yang tinggi.
Gambar 33. Turbin Pelton Poros Horizontal
b. Turbin Poros Vertikal
Turbin Pelton poros vertikal mempunyai poros runner
yang mempunyai arah atau sumbu vertikal. Sama halnya
dengan turbin Pelton poros horizontal, pada turbin Pelton
poros vertikal juga dapat digunakan beberapa nosel. Untuk
menghasilkan daya turbin yang tinggi atau besar maka
turbin Pelton dilengkapi dengan jumlah sudu 4 sampai
dengan 6 buah nosel. Sedangkan untuk penggunaan pipa
saluran air dapat disesuaikan dengan kebutuhan atau
tergantung kepada keadaan tempat dan biya pengadaannya.
Berikut merupakan gambar turbin Pelton poros
vertikan dengan menggunakan nosel lebih dari satu buah.
100 Turbin Impuls
Gambar 34. Turbin Pelton Poros Vertikal
5.4 Kelebihan turbin Pelton
Pada dasarnya setiap turbin air pasti memiliki kelebihan
dan kekurangan masing-masing, begitu juga dengan turbin
Pelton. Ada beberapa kelebihan maupun kekurangan yang
dimiliki oleh turbin Pelton yaitu sebagai berikut.
1.Kelebihan Turbin Pelton diantaranya yaitu:
a. Daya yang dihasilkan besar
Turbin Pelton merupakan salah satu jenis turbin
implus yang mampu menghasilkan kinerja yang baik.
Kinerja yang baik tersebut dapat diukur dari efisiensi
yang mampu dihasilkan turbin Pelton yang cukup
tinggi. Dengan efisiensi yang tinggi tersebut maka
daya air yang digunakan dapat termanfaatkan secara
maksimal sehingga daya mekanik yang mampu
dihasilkan turbin Pelton juga besar.
b. Konstruksiyang sederhana
Turbin Pelton memiliki komponen utama yaitu runner
yang terdiri dari beberapa sudu yang berbentuk seperti
mangkok dan nosel yang berfungsi sebagai pengarah
semburan air. Kontruksi turbin Pelton sangat
sederhana berbeda dengan turbin reaksi yang memiliki
kontruksi cukup rumit. Selain itu, pada turbin Pelton
Turbin Impuls 101
juga tidak perlu menggunakan transmisi sehingga
kontruksinya sangat sederhana.
c. Mudah dalam hal perawatan serta teknologi yang
diterapkan pada turbin Pelton sangat sederhana
sehingga mudah diaplikasikan didaerah yang
pedalaman (terisolir) dan sulit dijangkau.
2.Kelemahan Turbin Pelton:
Pada turbin Pelton memanfaatkan daya air yang
mempunyai head yang tinggi dan untuk mendapatkan
head tersebut harus dibuat bendungan atau reservoir
sehingga memerlukan biaya untuk investasi yang cukup
besar. Selain itu, besarnya daya yang mampu dihasilkan
oleh tubin Pelton sangat dipengaruhi oleh ketinggian atau
head (H) dan debit air (Q). Dimana head dan debit air
dipengaruhi oleh sumber daya air yang bergantung pada
musim (curah hujan) pada daerah dimana turbin Pelton
dipasang.
5.5 Komponen Turbin Pelton
Sebuah Turbin Pelton yang digunakan sebagai
pembangkit listrik tenaga air (PLTA) atau pembangkit listrik
tenaga mikro hidro (PLTMH) memiliki bagian atau komponen
utama dan juga memiliki bagian atau komponen tambahan
yang mendukung kinerja dari turbin Pelton tersebut. Turbin
Pelton ini mempunyai beberapa komponen yaitu :
1. Pipa nosel
Nosel pada turbin Pelton berfungsi mengarahkan aliran
air yang menumbuk sudu turbin. nosel juga berfungsi
untuk meningkatkan kecepatan aliran air yang akan
menumbuk sudu. Dengan kecepatan yang tinggi
tersebut maka akan menghasilkan momentum yang
besar dan akan berdampak pada gaya yang dihasilkan
oleh turbin.
102 Turbin Impuls
2. Sudu turbin
Sudu pada turbin Pelton sudu berfungsi untuk
menangkap aliran air (mangkok dan chord). Sudu
turbin Pelton juga berfungsi menyerap momentum air
yang kemudian mengkonversi perubahan momentum
tersebut menjadi gaya dorong pada runner turbin.
3. Kotak penutup
Kotak penutup berfungsi untuk pengaman atau
pelindung nosel dan runner
4. Governor
Governor berfungsi untuk mengatur kecepatan air yg
akan disemprotkan atau diarahkan nosel sebelum
menumbuk sudu.
5. Ridge
Ridge berfungsi untuk membagi arah air kearah kiri
dan kearah kanan mangkok atau sudu runner
6. Deflector
Berfungsi membelokan semburan air yang akan
menumbuk sudu
7. Rumah Turbin
Rumah turbin Pelton berfungsi sebagai dudukan roda
jalan atau runner dan juga berfungsi sebagai penahan
air yang keluar dari sudu turbin.
Turbin Impuls 103
Komponen turbin Pelton secara keseluruhan dapat dilihat
pada gambar berikut.
Gambar 35. Komponen Turbin Pelton
Dalam melakukan perancangan desain turbin khususnya
turbin Pelton maka perlu dilakukan pengenalan dan
identifikasi secara mendalam mengenai lokasi dimana akan
diaplikasikan turbin Pelton, pertimbangan dan melihat juga
faktor keamanan sehingga dapat menampilkan hasil rancangan
dengan baik dan maksimal. Selain identifikasi lokasi, hal yang
perlu diperhatikan yaitu pemilihan material yang nantinya
akan digunakan sebagai bahan dalam perancangan dan
pembuatan turbin Pelton. Dalam melakukan survei dilokasi
dimana akan diaplikasikan turbin Pelton maka perlu dilakukan
dalam beberapa musim sehingga data rata-rata yang diperoleh
lebih akurat dan dapat digunakan sebagai acuan dalam
perencanaan desain turbin. jika identifikasi hanya dilakukan
pada saat tertentu maka akan menghasilkan data yang kurang
akurat, sehingga akan sangat berpengaruh terhadap hasil
rancangan turbin, dan juga akan berpengaruh terhadap kinerja
yang dihasilkan turbin Pelton.
Adapun data yang digunakan dalam perencanaan desain
yaitu head (ketinggian atau tinggi jatuh air) dan debit air.
104 Turbin Impuls
Selain head dan debit air, kinerja turbin Pelton juga
dipengaruhi oleh desain turbin. sehingga desain turbin harus
disesuaikan dengan sumber daya air yang digunakan.
a. Runner Runner turbin Pelton terdiri dari cakra atau disc dan
beberapa sudu yang berbentuk seperti mangkok yang
terpasang disekeliling dari disc tersebut. Sudu dipasang pada
disc dengan pengunci menggunakan sambungan baut atau
juga dapat menggunakan sambungan las. Cakra merupakan
dudukan dari sudu pada turbin Pelton. Cakra atau disc
dipasang keporos menggunakan sambungan pasak atau
dengan menggunakan pengunci misalnya baut sehingga
dapat dilakukan penggantian sudu jika terjadi kerusakan
pada sudu turbin Pelton. Dimensi dari turbin Pelton sangat
dipengaruhi oleh besarnya potensi sumber daya air dimana
akan diaplikasikan turbin, sehingga besarnya head atau
tinggi jatuh air yang dirancang akan menentukan dimensi
atau ukuran berapa besarnya diameter runner yang
digunakan pada turbin Pelton, semakin tinggi maupun
semakin besar head (tinggi jatuh air) maka dimensi atau
ukuran runner yang lebih besar juga akan semakin baik.
Pemilihan diameter runner turbin Pelton sangat tergatung
kepada kecepatan spesifik turbin yang sudah dirancang
untuk turbin Pelton. Kecepatan putaran turbin akan
dipengaruhi oleh kecepatan air yang menumbuk sudu tubin
dan diameter runner turbin Pelton.
Jika ukuran diameter runner turbin lebih kecil maka
akan memperoleh kecepatan putaran yang lebih tinggi.
Dengan diameter turbin yang lebih kecil maka momen yang
dihasilkam turbin juga cenderung lebih kecil, sehingga akan
mempengaruhi ukuran bahan yang digunakan untuk turbin
seperti poros turbin yang lebih kecil. Sedangkan untuk
diameter runner yang besar akan menghasilkan momen
Turbin Impuls 105
yang besar namun kecepatan putar yang kecil dan untuk
bahan yang digunakan harus lebih besar.
Berikut ini merupakan sudu turbin Pelton yang disusun
pada disc sehingga menjadi satu bagian turbin atau yang
biasa disebut dengan runner turbin Pelton.
Gambar 36. Runner Turbin Pelton
Kecepatan putar suatu turbin akan mempengaruhi
kecepatang keliling runner turbin Pelton. Kecepatan keliling
runner merupakan kecepatan linier runner turbin pada jari-
jari tertentu.
Kecepatan keliling runner turbin Pelton dapat di
hitung menggunakan persamaan sebagai berikut:
= Ku √ .................................................(121)
Dimana :
= Kecepatan keliling optimal (m/s)
Ku = Koefisien keliling optimal (0,45 – 0,49)
= Head net (m)
= Percepatan grafitasi (m/s2)
Diameter lingkaran tusuk merupakan diameter runner
turbin Pelton dan untuk mengetahui diameter lingkar tusuk
dapat dihitung dengan persamaan berikut ini:
106 Turbin Impuls
=
...................................................... (122)
Dimana :
= Diameter lingkaran tusuk (mm)
= Kecepatan keliling optimal (m/s)
= Putaran poros (rpm)
b. Sudu
Sudu yang digunakan pada turbin Pelton
mempunyai bentuk seperti mangkok atau Bucket dengan
bagian dalam dari sudu berbentuk melengkung kearah
dalam dan bagian atas dari sudu turbin berbentuk runcing.
Pemanfaatan tinggi jatuh air atau head mempunyai
kaitan yang erat dengan bentuk dari sudu turbin Pelton itu
sendiri. Sehingga bentuk sudu turbin akan berpengaruh
pada kinerja yang dihasilkan turbin. head atau tingggi jatuh
air akan mempengaruhi desain dari sudu turbin Pelton.
Sedangkan untuk head atau ketinggian air yang
sangat tinggi maka kelengkungan dari sudu turbin juga
akan semakin tajam. Semakin tinggi suatu head atau tinggi
jatuh air maka bentuk sudu turbin Pelton juga akan
semakin melengkung kedalam. Sedangkan untuk tinggi air
jatuh yang lebih rendah kelengkungan sudu tidak terlalu
melengkung. Sudu atau mangkok pada turbin Pelton
berfungsi nemerima momentum dari air, sehingga desain
mangkok sangat berpengatuh terhadap kinerja yang
dihasilkan turbin Pelton. Pemilihan bahan untuk sudu
(mangkok) pada turbin Pelton sebaiknya menggunakan
bahan yang kuat serta tahan terhadap korosi. Penggunaan
bahan mangkok atau sudu dari bahan belahan pipa dan
juga menggunakan konstruksi dengan sambungan las
dengan bahan plat dari baja tidak dianjurkan. Selain
kontruksi yang kurang kuat, bahan tersebut juga sangat
Turbin Impuls 107
mudah korosi dan kinerja turbin kurang maksimak
(efisiensi rendah).
Berikut merupakan gambar sudu (mangkok) pada
turbin Pelton yang dapat dibuat dengan bahan yang
bermacam-macam tergantung kebutuhan.
Gambar 37. Sudu turbin Pelton
Untuk menentukan jumlah sudu (mangkok) dengan kinerja
yang maksimal pada turbin Pelton dapat digunakan
persamaan berikut:
Z = 5,4 √
................................(123)
Dimana :
Z = Jumlah sudu
= Diameter lingkar tusuk (mm)
= Diameter nosel (mm)
Dimensi sudu (mangkok) pada turbin Pelton
dijelaskan seperti pada gambar berikut.
Gambar 38. Dimensi Sudu turbin Pelton
108 Turbin Impuls
Dimensi-dimensi sudu (mangkok) turbin Pelton
dapat diketahui dengan persamaan berikut:
1. Lebar sudu
Bs (4 5) dn .....................................................(124)
Dimana:
Bs = Lebar sudu (mm)
2. Tinggi sudu
Ls (2,4 3,2) d n ................................................(125)
Dimana:
Ls = Tinggi sudu (mm)
3. Lebar celah sudu
M (1,1 1,25) d n ...............................................(126)
Dimana:
M = Lebar celah sudu (mm)
4. Kedalaman sudu
Cs (0,81 1,05) d n ...........................................(127)
Dimana:
Cs = Kedalaman sudu (mm)
c. Nosel
Nosel merupakan bagian penting dari turbin Pelton
yang berfungsi merubah (mengkonversi) energi potensial
menjadi energi kinetik berupa semburan air. Didalam nosel
tekanan air dirubah menjadi kecepatan. Dengan kecepatan
air yang lebih tinggi pada nosel maka akan menghasilkan
momentum air yang besar dan akan berpengaruh terhadap
kinerja turbin Peltonyaitu putaran, torsi dan daya.
Nosel pada turbin Pelton terdiri dari bagian selubung
yang berbentuk sama seperti hidung yang dipasangkan
pada belokan atau ujung dari pipa. Didalam nosel terdapat
jarum nosel yang dapat digerakkan didalam belokan pipa
Turbin Impuls 109
tersebut. Jarum pada turbin Pelton befrungsi mengatur arah
aliran air atau bentuk semburan pada ujung nosel, sehingga
gesekan antara air dengan selubung dan jarum nosel sangat
besar. Untuk itu pemilihan bahan Kerucut jarum dan
selubung yang kuat dan tidak mudah aus sangat
dianjurkan.
Untuk menghasilkan kinerja turbin yang maksimal
maka diameter nosel suatu turbin Pelton harus disesuaikan
dengan tinggi jatuh air atau head dan juga disesuaikan
dengan kapasitas atau debit air yang digunakan.
Penggunaan lebih dari satu buah nosel dapat digunakan
untuk tinggi jatuh (head) air yang besar dan daya yang
besar.
Nosel pada turbin Pelton memiliki beberapa fungsi
diantaranya yaitu:
1. Mengarahkan semburan (pancaran) air ke sudu turbin
2. Mengkonversi tekanan menjadi energi kinetik
3. Mengatur besar atau kecilnya kapasitas air yang masuk
kedalam turbin
Dalam melakukan perencanaan dan menentukan
besarnya diameter semburan atau pancaran air atau nosel
maksimum pada turbin Pelton dapat digunakan
persamaan:
= 0,52 √
√ ..........................................................(128)
Dimana :
= Diameter nosel (mm)
Q = Kapasitas air (m3/s)
H = Head (m)
110 Turbin Impuls
Sedangkan untuk mengetahui kecepatan mutlak
semburan air yang melalui nosel (jet) dapat digunakan
persamaan berikut:
C1= √ .................................................(129)
Dimana :
C1 = Kecepatan mutlak jet (m/s)
= Koefisien Jet (0,96-0,98)
= Gravitasi (m/s2)
= Head net (m)
d. Rumah Turbin
Sama halnya dengan turbin Cross-flow, Rumah turbin
Pelton juga berfungsi sebagai dudukan dalam pemasangan
nosel dan juga sekaligus sebagai pelindung turbin Pelton
terhadap korosi dan fisik disekitarnya. Suatu sistem
pembangkit turbin Pelton yang dirancang dan dibangun di
suatu daerah pegunungan yang terisolir dengan atau tanpa
menggunakan rumah turbin akan cenderung lebih mudah
mengalami korosi atau berkarat pada bagian poros dan
juga pada bagian bearing turbin. Selain itu, rumah turbin
juga dapat melindungi turbin dari sinar matahari yang bisa
mempengaruhi laju reaksi oksidasi (korosi) pada bagian
turbin terutama pada bagian turbin yang terbuat dari logam
besi ataupun baja. Jika bagian turbin mengalami korosi
maka pada bagian tersebut akan cepat rusak dan akan
mempersingkat usia pemakain suatu turbin. Dengan
adanya rumah turbin maka hal-hal tersebut dapat
dihindari.
Pemilihan bahan yang digunakan sebagai rumah
turbin juga harus diperhatikan. Bahan yang digunakan
harus kuat dan tahan terhadap korosi. Pelapisan atau
Turbin Impuls 111
pengecatan sangat dianjurkan untuk mencegah terjadinya
korosi pada rumah turbin.
5.6 Pengujian Turbin Pelton
Sama halnya dengan turbin Cross-Flow, sebuah turbin
Pelton mempunyai kinerja yang baik apabila turbin tersebut
dapat menghasilkan daya dan efisiensi yang tinggi.
Untuk mengetahui kinerja turbin Pelton dapat dihitung
dengan persamaan berikut ini:
a. Daya Turbin Pengujian kinerja turbin Pelton (daya turbin) sama seperti
dengan turbin Cross-Flow yaitu dengan prinsip pengereman
untuk mengetahui torsi yang dihasilkan turbin. Sehingga
persamaan untuk mengetahui daya turbin Pelton yaitu:
PtP T .
Dimana :
PtP = Daya Turbin Pelton (watt)
T = Torsi Turbin Pelton (N.m)
Kecepatan sudut runner tubin Pelton (rad/s)
b. Daya air
Pada dasarnya daya yang diperoleh pada turbin pelton
berasal dari energi air yang mengalir yaitu energi kinetik.
Energi kinetik air yang mengalir sangart dipengaruhi oleh
massa air dan kecepatan air tersebut. Sehiinggaa untuk
mengetahui kapasitas daya air yang dipakai pada turbin
Pelton dapat diketahui dengan menggunakan persamaan
sebagai berikut:
Pa =
ρ A V
3....................................................(131)
Dimana :
112 Turbin Impuls
Pa = Daya Air (watt)
ρ = Massa Jenis Air (kg/m3)
A = Luas Penampang nosel (m2)
V = kecepatan air (m/s)
c. Efisiensi Turbin
Efisiensi turbin merupakan parameter yang menandakan
kualitas kinerja turbin. Semakin tinggi efisiensi dari suatu
turbin baik turbin Pelton maupun turbin air lainnya maka
semakin baik kinerja turbin tersebut. Efisiensi Turbin
dapat ditentukan berdasarkan perbandingan antara daya
turbin yang mampu dihasilkan dengan daya air yang
digunakan untuk menggerakkan turbin. efisiensi turbin
dapat diketahui dengan persamaan sebagai berikut:
ηt =
x 100%...........................................(132)
Dimana :
ηt = Efisiensi Turbin
= Daya Turbin Pelton (watt)
Pa = Daya Air (watt)
Turbin Impuls 113
5.7 Rangkuman
Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin implus
yang beroperasi pada head atau ketinggian yang sedang sampai
head atau ketinggian yang tinggi. Turbin Pelton disebut juga
sebagai turbin pancaran bebas. Pancaran atau semburan air
yang keluar dari mulut nosel akan menumbuk sudu-sudu turbin
Pelton yang berbentuk seperti mangkok-mangkok pada roda
jalan (runner) sehingga terjadi perubahan momentum pada
roda jalan yang mengakibatkan roda jalan (runner) berputar.
Turbin Pelton diklasifikasikan menjadi dua yaitu turbin poros
horizontal dan turbin poros vertikal. Kelebihan turbin Pelton
daya yang dihasilkan besar, konstruksi yang sederhana, mudah
dalam perawatan dan teknologi yang sederhana. Kelemahan
turbin Pelton yaitu kinerja turbin sangat dipengaruhi oleh curah
hujan (musim) dan biaya investasi pembuatan bendungan yang
cukup besar. Turbin Pelton ini mempunyai beberapa komponen
yaitu Pipa nosel, Sudu turbin (mangkok), Kotak penutup,
Governor, Ridge, Deflector dan Rumah Turbin.
Perencanaan runner turbin pelton yaitu sebagai berikut.
1. Kecepatan keliling runner
= Ku √
2. Diameter lingkaran tusuk
=
3. Jumlah sudu (mangkok)
Z = 5,4 √
4. Lebar sudu
Bs (4 5) dn
5. Tinggi sudu
Ls (2,4 3,2) d n
6. Lebar celah sudu
M (1,1 1,25) d n
7. Kedalaman sudu
114 Turbin Impuls
Cs (0,81 1,05) d n
8. Diameter pancaran air atau nosel
= 0,52 √
√
9. Kecepatan mutlak jet atau semburan air
C1= √
10. Daya Turbin
PtP T .
11. Daya air
Pa =
ρ A V
3
12. Efisiensi Turbin
ηt =
x 100%
Turbin Impuls 115
DAFTAR PUSTAKA
Abdul Nasir, B. 2014. Design Considerating Of Micro-Hidro-
Electrik Power Plant. Energy procedia 50 19-29.
Acharya, N., Kim C.G., Thapa, B., and Lee, Y.H., 2015.
Numerical analysis and performance enhancement of a
Cross-flow hydro turbine. Renewable Energy xxx 1-8.
Arismunandar, W. 2004. Penggerak Mula Turbin. ITB.
Bandung.
Baskoro, dan Aria Pranedya, D. 2015. Pemetaan Potensi
Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro di Pulau Jawa
Menggunakan Sistem Informasi Geografis. Bogor:
Institut Pertanian Bogor.
Breeze, P. 2014. Power Generation Technologies. Renewables
2013 Global Status Report, REN21, 2013. Copyright @
2014 Paul Breeze. Published by Elsevier Ltd. All rights
reserved.
Dietzel, F., dan Sriyono, D. 1993. Turbin Pompa Dan
Kompresor. Erlangga. Jakarta.
Elbatran A.H., Yaakob, O.B., Ahmed, Y.M., and Shabara,
H.M., 2015. Operation, performance and economic
analysis of low head micro-hydropower turbines for
rural and remote areas. Renewable and Sustainable
Energy Reviews 43 40–50.
Eisenring, M. 1994. Turbin Pelton Mikro, terjemahan Sunarto,
Edy. M. Jakarta.
116 Turbin Impuls
Hatib, R., dan Ade Larasati, A. 2013. Pengaruh Perubahan
Beban Terhadap Kinerja Turbin Cross-Flow. Jurnal
Mekanikal Volume 4 Nomor 2.
http://calculator2050.esdm.go.id/assets/onepage/II.c.pdf
https://id.wikipedia.org/wiki/Berkas:Grand_Coulee_Dam.jpg
https://id.wikipedia.org/wiki/Berkas:HooverDam.jpg
https://id.wikipedia.org/wiki/Berkas:ThreeGorgesDam-
China2009.jpg
https://en.wikipedia.org/wiki/Itaipu_Dam
https://indonesiadevelopmentforum.com/2018/ideas/4452-
pembangkit-listrik-mikrohidro-tingkatkan-
perekonomian-indonesia.
Kementrian Energi Dan Sumber Daya Mineral. 2014. Statistik
Energi Baru dan Terbarukan. Jakarta.
Loots, I., Dijk, M.V., Barta, B., Vuuren, S.J.V., and Bhagwn,
J.N., 2015. A review of low head hydropower
technologies and applications in a South African
context. Renewable and Sustainable Energy Reviews 50
1254–1268.
Mockmor, C.A. and Merryfield, F. 1984. “The Banki Water
Turbin”, Oregon State College, Bulletin Series, No.25.
Munson, Bruce R., Okiishi, Theodore H., Huebsch, Wade W.,
and Rothmayer, Alric P., 2013. Fundamentals of Fluid
Mechanics. Edisi 7.
Turbin Impuls 117
Paish, O. 2002. Small hydro power: technology and current
Status. Renewable and Sustainable Energy Reviews 6
537–556.
Poernomo Sari, S., dan Fasha, R. 2012. Pengaruh Ukuran
Diameter Nosel 7 Dan 9 mm Terhadap Putaran Sudu
Dan Daya Listrik Pada Turbin Pleton. Jurnal Teknik
Mesin,
Rajab Yassen, S. 2014. Optimization of the Performance of
Micro Hydro-Turbines for Electricity Generation.
Sukardi,2018.https://indonesiadevelopmentforum.com/2018/ideas/4
452-pembangkit-listrik-mikrohidro-tingkatkan-
perekonomian-indonesia.
Supardi, Endra Prasetya. 2015. Nosel dan Sudut Buang Sudu
Terhadap Daya dan Efisiensi Model Turbin Pelton Di
Lab Fluida. Universitas 17 Agustus 1945 Surabaya.
Tohari M. dan Ibrahim Lubis H. 2015. Pengujian Unjuk Kerja
Turbin Crossflow Skala Laboratorium Dengan Jumlah
Sudu 20. Jurnal Teknik Mesin.
Zidonis, A., and George, A. 2015. State Of The Art In
Numerical Modelling Of Pelton Turbines. Renewable
and Sustainable Energy Reviews 45 135–144.
118 Turbin Impuls
