bab i turbin

1 6

Turbin Bangunan Tenaga Air

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pembangkit listrik tenaga air memanfaatkan energi yang dimiliki oleh air

(debit dan tinggi jatuh) dimana air itu digunakan untuk menggerakkan bilah

turbin sehingga dapat berputar, kemudian turbin tersebut menggerakkan

generator untuk merubah tenaga gerak menjadi tenaga listrik.

Rumah pembangkit atau power house adalah bangunan tempat

memasang mesin pembangkit yaitu turbin, generator, panel kontrol, peralatan

pendukung, serta ruang untuk operator. Power house didesain untuk

melindungi mesin pembangkit dan peralatan lainnya dari perubahan cuaca.

Standar minimal bangunan Power house harus dilengkapi dengan ruang

mesin, ruang operator, kantor dan kamar mandi. Dari suatu sistem PLTA,

tirbin air merupakan salah satu peralatan utama selain generator. Turbin air

adalah alat untuk mengubah energi air menjadi energi puntir. Energi puntir ini

diubah menjadi energi listrik oleh generator.

1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang di atas, maka rumusan masalah yang timbul

yakni :

1.2.1 Apa yang dimaksud dengan rumah pembangkit?

1.2.2 Apa yang dimaksud dengan turbin?

1.2.3 Apa saja bagian-bagian turbin?

1.2.4 Apa saja jenis dan macam turbin?

1.2.5 Bagaimana karakteristik turbin?

1.2.6 Bagaimana cara menyeleksi awa jenis turbin?

1.2.7 Bagaimana menghitung efisiensi turbin?

1.2.8 Bagaimana korelasi antar turbin?

Siti Ai Nurhayati 1005315 | Teknik Sipil S-1

1 6


1.3 Tujuan

Melihat dari rumusan masalah yang ada di atas, maka tujuan yang didapat

yaitu untu mengetahui :

1.3.1 Yang dimaksud dengan rumah pembangkit

1.3.2 Yang dimaksud dengan turbin

1.3.3 Bagian-bagian turbin

1.3.4 Jenis dan macam turbin

1.3.5 Karakteristik turbin

1.3.6 Cara menyeleksi awal jenis turbin

1.3.7 Menghitung efisiensi turbin

1.3.8 Korelasi antar turbin


1 6


BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Rumah Pembangkit





Dalam pembangunan Power House harus diperhatikan kekuatan fondasi,

terutama fondasi turbin yang akan menahan gaya potensial dan kinetik dari

air yang mengalir melalui pipa pesat dan turbin.

Standar minimal bangunan Power house harus dilengkapi dengan ruang

mesin, ruang operator, kantor dan kamar mandi.

Tabel 1. Contoh spesifikasi teknik power house adalah :

No. Uraian Spesifikasi

1. Fondasi Batu kali 1 : 2

2. Fondasi turbin Beton bertulang

3. Dinding Pasangan bata merah 1 : 4

4. Rangka Besi

5. Kusen Kayu

6. Lantai Keramik

7. Atap Genting

8. Pintu Kayu profil

9. Jendela Kayu profil dan kaca

Dimensi power house harus memperhitungkan persyaratan-persyaratan

teknis, serta keselamatan kerja dan lingkungan yang ada.


1 6


2.2 Pengertian Turbin

Dari suatu sistem PLTA, tirbin air merupakan salah satu peralatan utama

selain generator. Turbin air adalah alat untuk mengubah energi air menjadi

energi puntir. Energi puntir ini diubah menjadi energi listrik oleh generator.

Turbin mempunyai fungsi untuk mengubah energi ketinggian air menjadi

daya putaran poros. Setiap turbin mempunyai daerah operasi sendiri sehingga

mampu mengasilkan energi listrik dengan efisiensi yang memadai. Daerah

operasi optimal tersebut ditentukan oleh besar head operasi turbin air tersebut.

Turbin air dapat dibagi atas head tinggi, head menengah dan head

rendah. Disamping itu dari segi beroperasinya turbin air dibedakan atas turbin

impuls dan turbin reaksi.

Tabel 2. Pembagian turbin

Head tinggi Head Menengah Head rendah

Turbin impuls

Pelton

Turgo

Cross-flow

Multi-jet pelton

Turgo

Cross-flow

Turbin reaksi Francis Propeller

Kaplan

Para pengembang dapat memilih sendiri jenis dan ukuran turbin yang

akan dipakai pada PLTM/ PLTMH, dengan memperhitungkan factor teknis,

ekonomis.

2.3 Bagian-bagian Turbin

Bagian - bagian turbin antara lain :

1. Katup pemandu (guide vane)

2. Bagian yang berputar (runner)

3. Kotak roda (wheel case)

4. Poros (shaft)

5. Bantalan poros (bearings)


1 6


Menurut cara kerjanya terdapat dua jenis utama turbin, yaitu turbin

impuls dan turbin reaksi. Pada turbin impuls, air disemprotkan ke

mangkokmangkok turbin. Sedangkan pada turbin reaksi, baling-baling dari

turbin berputar bersama-sama dengan air lalu turun kebawah melalui pipa

isap menuju ke saluran pembuang.

2.4 Jenis Turbin

Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, namun yang

paling utama adalah klasifikasi turbin air verdasarkan cara turbin air tersebut

merubah energi air menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini, amak

turbin air dibagi menjasi dua, yaitu :

1. Turbin impuls

Turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air

(yang terdiri dari potensial + tekanan + kecepatan) yang tersedia

menajadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga

menghasilkan energi puntir. Contohnya yaitu turbin pelton.

2. Turbin reaksi

Turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air

yang tersedia menjadi energi puntir. Turbin air reaksi dibagi menjadi

dua, yaitu :

a. Francis, contonya yaitu turbin fraancis

b. Propeller, terbagi dua, yaitu :

Sudu teteap (fixed blade), merupakan jenis turbin generasi

pertama dari jenis ini. Karena sudu tidak dapaat diatur maka

efisiensinya berkurang jika digunakan pada kisaran debit

yang lebar. Oleh karena itu dikembangkan jenis dengan sudu

yang dapat diatur agar efisiensinya tetap tinggi walaupun

kisaran debitnya lebar.


1 6


Sudu dapat diatur (adjustable blade). Comntohnya Kaplan,

Nagler, Bulb dan Moody.

Pemilihan jenis turbin

Faktor-faktor yang mempengaruhi atau menjadi kriteria dalam memilih

jenis turbin air yang dipakai pada tenaga air adalah sebagai berikut :

1. Tinggi jatuh netto (Hnetto).

2. Debit air

3. Daya turbin (P)

4. Kecepatan putar turbin

Pengembang dapat memilih jenis turbin air yang akan dipakai dengan

memperhitungkan aspek teknis dan ekonomis.

2.5 Macam-macam Turbin

Adapun macam-macam turbin, yaitu :

1. Turbin Pelton

Turbin Pelton adalah turbin untuk tinggi terjun yang tinggi, yaitu

diatas 300 meter. Teknik mengkonversikan energi potensial air

menjadi energi mekanik pada roda air turbin dilakukan melalui

proses impuls sehingga turbin Pelton juga disebut sebagai turbin

impuls. Bagian-bagian utama turbin Pelton yaitu :

a. Pipa nozzle dan lain lain yang diperlukan untuk

mengarahkan aliran jet air.

b. Runner yang menggunakan energi kinetis aliran jet

(semburan) air.

c. Kotak Penutup untuk mengamankan runner dan nozzle.

d. Alat pengatur kecepatan (governor) agar kecepatan tetap

sama pada beberapa bahan.


1 6


Untuk mendapatkan H efektif sebesar mungkin, turbin harus

ditempatkan serendah mungkin.

Gambar 1. Turbin Pelton

2. Turbin Francis

Turbin Francis paling banyak digunakan di Indonesia. Turbin ini

digunakan pada PLTA dengan tinggi terjun sedang, yaitu antara

20-400 meter. Teknik mengkonversikan energi potensial air

menjadi energi mekanik pada roda air turbin dilakukan melalui

proses reaksi sehingga turbin Francis juga disebut sebagai turbin

reaksi. Bagian-bagian utama turbin Francis :

a. Rumah spiral (scroll-case) yang menerima air dari pipa

pesat dan mengarahkan aliran air ke turbin. Fungsi rumah

spiral adalah membagi rata air yang diterima dari pipa pesat

sekeliling turbin.

b. Runner

c. Pipa pelepas air (draftube) yang meneruskan air dari turbin

ke saluran pembuangan.


1 6


Gambar 2. Turbin Francis

3. Turbin Kaplan/Propeller

Disebut turbin Propeller apabila mangkok-mangkok turbinnya

tetap, sedangkan turbin Kaplan memiliki mangkok-mangkok turbin

yang dapat diatur. Turbin Kaplan/Propeller baik digunakan pada

PLTA dengan tinggi terjun yang rendah, yaitu dibawah 20 meter.

Teknik mengkonversikan energi potensial air menjadi energi

mekanik pada roda air turbin dilakukan melalui pemanfaatan

kecepatan air. Bagian-bagian utama sama dengan turbin Francis

yaitu :

a. Rumah spiral (scroll-case)

b. Runner

c. Pipa pelepas air (draftube)


1 6


Gambar 3. Turbin Kaplan

2.6 Karakteristik Turbin

Untuk dua turbin atau lebih yang mempunyai dimensi yang berlainan

disebut homologous jika kedua turbin atau lebih tersebut sebangun geometri

dan mempunyai karakteritik sama. Karakteristik suatu turbin dinyatakan

secara umum oleh enam buah konstanta, yaitu :

1. Rasio kecepatan ()

Merupakan perbandingan antara kecepatan keliling linier turbin pada

ujung diameter nominalnya dibagi kecepatan teoritis air melalui curat

dengan tinggi terjun sama dengan tinggi terjun (H.netto) yang bekerja

pada turbin.

Dengan :

N = putaran turbin rpm (rotassi per menit)

D = diameter karakteristik turbin (m), umumnya digunakan diameter

nominal

H = tinggi terjun netto/efektif (m)


1 6


2. Kecepatan satuan (Nu)

Adalah kecepatan putar turbin yang mempunyai diameter (D) satu

satuan panjang dan bekerja pada tinggi terjun (H.netto) satuan

panjang.

Dari persamaan rasio kecepatan, terdapat korelasi :

Dengan memasukkan D=1 m dan H = 1 m, maka :

Sehingga persamaan tersebut dapat ditulis :

3. Debit satuan (Qu)

Debit yang masuk ke turbin dapat diandaikan sebagai debit yang

melalui suatu curat dengan tinggi terjun sama dengan tinggi terjun

(H.netto) yang bekerja pada turbin. Oleh karena itu debit yang

melalui turbin dapat dinyatakan sebagai :

Dengan Cd adalah koefisien debit.

Debit satuan (Qu) adalah debit turbin yang mempunyai diameter (D)

satu satuan oanjang dan bekerja pada tinggi terjun (H.netto) satu

satuan panjang.

Sehingga persamaan tersebut dapat ditulis :

4. Daya satuan (Pu)


1 6


Daya (P) yang dihasilkan tirbin dapat dinyatakan sebagai :

Dengan :

= efisiensi turbin

= berat jenis air

Daya satuan Pu adalah daya turbin yang mempunyai diameter (D)

satu satuan panjan dan mekerja pada tinggi terjun (H.netto) satu

satuan panjang.

Persamaan daya dapat ditulis :

Selain itu, daya turbin juga dapat dihitung dengan :

P = 9,81 * Q * H * t

Dengan :

P = daya poros/output turbin (MW)

Q = debit air (m3/det)

H = efektif head (m)

5. Kecepatan spesifik (Ns)

Eliminasi diameter (D) dari persamaan Nu dan Pu mnghasilkan

korelasi :

atau

Kecepatan spesifik Ns adalah kecepatan putar turbin yang

mengahsilkan daya sebesar satu satuan daya pada tinggi

terjun(H.netto) satusatuan panjang.

Kecepatan Ns dapat dinyatakan dalam sistem metrik maupun sistem

Inggris, korelasi dari kedua sisteim tersebut dinyatakan dalam :


1 6


Dengan satuan yang digunakan adalah horse power.

Gambar 4. Grafik kecepatan spesifik pada turbin

6. Diameter spesifik (Ds)

Dari persamaan Pu didapat korelasi :

Diameter Ds adalah diameter turbin yang mengahsilkan daya sebesar

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

Maka Ds dapat ditulis :

Adapun rumus empiris untuk turbin reaksi yaitu:

Turbin Francis :


1 6


Turbin Propeller

2.7 Seleksi Awal Jenis Turbin

Seleksi awal untuk turbin yang cocok untuk suatu keperluan paling tepat

dilakukan dengan menggunakan kecepatan spesifik (Ns). Dalam tabel Ns

sudah disajikan untuk jenis turbin tertentu dan dapat digunakan untuk

pemilihan jenis turbin yang tepat untuk Ns tertentu. Nilai Ns yang tercantum

pada tabel bukanlah nilai yang eksak.

Tabel 3. Jenis turbin air dan kisaran kecepatan spesifik (Ns)

Untuk setiap jenis turbin terdapat suatu nilai kisaran tinggi terjun dan

kecepatan spesifik yang sesuai.

Untuk turbin Francis, Moody memperoleh korelasi :

Untuk turbin propeller, Moody memperoleh korelasi :


1 6


Untuk trbin Francis, White menyarankan :

Dengan H = H.netto dan Ns = kecepatan spesifik.

Pada tahap awal, pemilihan jenis turbin dapat diperhitungkan dengan

mempertimbangkan parameter-perameter khusu yang mempengaruhi sistem

operasi turbin yaitu :

1. Tinggi jatuh air efektif (net head) dan debit yang akan dimanfaatkan

untuk operasi turbin

2. Daya (power) yang diinginkan berkaitan dengan head dan debit yang

tersedia

3. Kecepatan putaran turbin

Ketiga faktor diatas dinyatakan sebagai kecepatan spesifik turbin (Ns)

dan kecepatan spesifik dapat diketahui jenis turbin :

1. Ns = 9 s/d 25 untuk turbin Pelton dengan suhu pancaran

2. Ns = 25 s/d 60 untuk turbin Pelton dengan lebih dari satu

pancaran

3. Ns = 40 s/d 400 untuk turbin Francis

4. Ns = 260 s/d 860 untuk turbin Kaplan

5. Ns = 340 s/d 860 untuk turbin Propeller

Berikut merupakan tabel hubungan turbin dengan variasi head :

Tabel 4. Hubungan turbin untuk berbgai variasi head


1 6


2.8 Evolusi Turbin

Dalam perkembangannya, turbin air mengalami perubahan sebagai

berikut :

1. Arah arus air lewat sudu berubah dari tangensial (Pelton) menjadi

radial (Francis) dan akhirnya axial (Propeller).

2. Cincin bawah (turbin Francis) makin lama menghilang (turbin

Propeller).

3. Jumlah sudu makin berkurang ( turbin pelton : banyak sudu turbin

francis turbin propeller : minimum 2 s/d 3 sudu).

2.9 Efisiensi Turbin

Efisiensi pada turbin tidak memiliki nilai yang tetap, tergantung keadaan

dan jenis turbinnya. Kinerja suatu turbin dapat dinyatakan dalam beberapa

keadaan, yaitu :

a. Tinggi maksimum

b. B. Tinggi terjun minimum

c. Tinggi terjun normal

d. Tinggi terjun rancangan

Pada tinggi terjun rancangan turbin akan memberikan kecepatan

terbaiknya sehingga efisiensinya menjadi maksimum. Berikut merupakan

tabe efisiensi turbi untuk berbagai kondisi beban :


1 6


Tabel 5. Efisiensi turbin untuk berbagai kondisi beban

Efisiensi turbin homologous

Terkadang dalam merancang turbin dipwrlukan data efisiensi dari turbin

yang sejenis maupun dari studi model. Untuk dapat membandingkan

efisiensi antar turbin, maka turbin tersebut harus homologous. Rumus

efisiensi untuk turbin homologuis meruakan rumus empiris yang berlaku

untuk efisiensi maksimum turbin.

Moody menyarankan rumus efisiensi untuk turbin Francis yaitu :

Di USA


1 6


Di Eropa

Dengan adalah efisiensi dan D adalah diameter turbin.

Hutton menyarankan rumus efisiensi untuk turbin propeller dan kaplan

yaitu :

Gambar 5. Grafik efisiensi turbin

2.10 Korelasi Antar Turbin

Untuk mendapatakan korelai dari beberapa turbin, maka setiap turbin

terseut harus homologous satu sama lain. Untuk turbin yang homlogous satu

sama lain, maka nilai setiap konstanta turbin yang dijelaskan di atas untuk

masing-masing turbin adlah sama.

Rasio antar variabel pada turbin 1 dan turbin 2 yang homologous yaitu

sebagai berikut :


1 6


Sehingga korelasi dai dua buah turbin homologous yaitu :

Sehingga

Kemudian diperoleh korelasi lain yaitu :

2.11 Kavitasi

Pada turbin reaksi, letak turbin harus diperhatikan agar tidak terjadi

bahaya kavitasi yang terjadi akibat adanya tekanan absolut yang lebih kecil

dari tekanan uap air. Kavitasi dapat menyebabkan sudu-sudu turbin menjadi

berlubang-lubang kecil, sehingga mengurangi efisiensi turbin yang akhirnya

dapat pula merusak sudu turbin.

Berikut merupakan gambar Hukum Bernoulli untuk menjelaskan analisis

kavitasi pada turbin reaksi :


1 6


Gambar 6. Skema turbin reaksi untuk analisis kavitasi

Hukum Bernoulli dikerjakan pada titik 1 dan titik 2 sebagai berikut :

Tinggi kecepatan pada titik 1 berbanding lurus dengan tinggi terjun

efektif H. Agar tidak terjadi kavitasi maka tinggi tekanan pada titik 1 harus

lebih besar atau sama dengan tinggi tekanan kavitasi. Oleh karena itu,

persaman dapat ditulis :

Dengan :

Hs = tinggi tekanan isap

Hv = tinggi tekanan kavitasi

Hatm = tinggi tekanan udara luar

‘ = sigma turbin atau koef. kavitasi

H = tinggi terjun netto/efektif


1 6


2.12 Definisi Diameter Turbin

Dalam pembahasan turbin terdapat beberapa macam istilah dameter yang

digunakan, yaitu :

1. Tubin Pelton

D1 adalah diameter lingkaran tempat kedudukan pusat berat sudu-

sudu (pitch circle).

2. Turbin Francis

D1 adalah diameter kincir ditengah-tengah distributor (diameter

nominal)

D2 adalah diameter sebelah dalam cincin debit (discharge ring).

3. Turbin Propeller

D1 adalah diameter kincir yang diukur dari ujung sudu ke ujung sudu.

D2 adalah diameter kincir yang melalui titik tengah sudu-sudu.

D3 adalah diameter sebelah dalam cincin debit (discharge ring).


1 6


BAB III

PENUTUP

3.1 Simpulan





Turbin air adalah alat untuk mengubah energi air menjadi energi puntir.

Energi puntir ini diubah menjadi energi listrik oleh generator. Turbin

mempunyai fungsi untuk mengubah energi ketinggian air menjadi daya

putaran poros. Setiap turbin mempunyai daerah operasi sendiri sehingga

mampu mengasilkan energi listrik dengan efisiensi yang memadai. Daerah

operasi optimal tersebut ditentukan oleh besar head operasi turbin air tersebut.

Turbin air dapat dibagi atas head tinggi, head menengah dan head

rendah. Disamping itu dari segi beroperasinya turbin air dibedakan atas turbin

impuls dan turbin reaksi.


1 6


Turbin terdapat tiga jenis, yaitu Pelton, Francis dan Kaplan atau

propeller. Dalam merencanakan pemakaian turbin banyak hal yang harus

diperhatikan, diantaranya yaitu efisiensi, tinggi head, dan sebagainya.

DAFTAR PUSTAKA

Website

Website; Kementrian PU, http://pustaka.pu.go.id

Website; Laman tentang turbin, www.ilmutekniksipil.com

Website; Universitas Diponegoro, www.eprints.undip.ac.id

Website; Universitas Mercu Buana, www.kk.mercubuana.ac.id


http://www.eprints.undip.ac.id/

http://pustaka.pu.go.id/

bab i turbin

Documents