Download - Turbin Air.docx
MAKALAH TURBIN AIR
Makalah ini dibuat untuk melengkapi tugas mata kuliah Mesin Konversi Energi 2
Disusun Oleh :
PRIYANTO SETIAWAN
4311216231
Jurusan Teknik MesinFakultas Teknik Universitas Pancasila
2013
1
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Dalam kemajuan teknologi sekarang ini banyak dibuat peralatan-
peralatan yang inovatif dan tepat guna. Salah satu contoh dalam bidang teknik
mesin terutama dalam bidang konversi energi dan pemanfaatan alam sebagai
sumber energi. Diantaranya adalah pemanfaatan air yang bisa digunakan untuk
menghasilkan tenaga listrik. Alat tersebut adalah berupa turbin yang digerakan
oleh air yang disambungkan dengan generator. Dalam konvensionalnya pada
zaman dahulu air juga dimanfaatkan untuk pembangkit tenaga listrik yaitu utuk
menggerakan generator pembangkit digunakan sebuah kincir air, tetapi sekarang
ini kincir air sudah ditinggalkan dan digunakanlan turbin air. Dalam suatu sistim
PLTA, turbin 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.
B. Tujuan
Dalam makalah ini dijelaskan tentang turbin air yang bersekala kecil
yang biasanya digunakan oleh pembangkit listrik yang berskala kecil atau daerah.
Tujuan dari pembuatan makalah ini diantarana untuk mengemukakan beberapa
paparan tentang turbin air yang berskala kecil dan ditujukan kepada pembaca yag
ingin mengetahui apakan turbin air itu ?
2
BAB II
PEMBAHASAN
A. Pengertian
Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Energi
mekanis diubah dengan generator listrik menjadi tenaga listrik. Berdasarkan prinsip kerja
turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Turbin air
dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk tenaga industri untuk
jaringan listrik. Sekarang lebih umum dipakai untuk generator listrik. Turbin kini
dimanfaatkan secara luas dan merupakan sumber energi yang dapat diperbaharukan.
B. Macam Turbin Air
Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, namun yang paling
utama adalah klasifikasi turbin air berdasarkan cara turbin air tersebut merubah energi air
menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini, maka turbin air dibagi menjadi dua
yaitu
1. Turbin impuls
2. Turbin reaksi.
1. Turbin Impuls
Yang dimaksud dengan turbin impuls adalah turbin air yang cara bekerjanya
dengan merubah seluruh energi air (yang terdiri dari energy potensial + tekanan +
kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetic untuk memutar turbin, sehingga
menghasilkan energi puntir. Contoh: turbin Pelton.
3
2. Turbin Reaksi
Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya
dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir. Turbin air
reaksi dibagi menjadi dua jenis yaitu:
1) Francis, contoh: turbin Francis dan
2) Propeller:
a. Sudut tetap (fixed blade), turbin jenis ini merupakan turbin generasi pertama dari
jenis ini. Karena sudu tidak dapat diatur, maka efisiensinya berkurang jika
digunakan pada kisaran debit yang lebar. Oleh karena itu dikembangkan jenis
dengan sudu yang dapat diatur agar efisiensi tetap tinggi walaupun kisaran
debitnya lebar.
b. Sudut dapat diatur (adjustable blade), contoh Kaplan, Nagler, Bulb, Moody
C. Karakteristik Turbin
Untuk dua turbin atau lebih yang mempunyai dimensi yang berlainan disebut
homologous jika kedua turbin atau lebih tersebut sebangun geometri dan mempunyai
karakteristik sama. Karakteristik suatu turbin dinyatakan secara umum oleh enam
buah konstanta yaitu:
1) Rasio Kecepatan (Φ)
2) Kecepatan Satuan (Nu)
3) Debit Satuan (Qu)
4) Daya Satuan (Pu)
5) Kecepatan Spesifik (Ns)
6) Diameter Spesifik (Ds)
4
1. Rasio Kecepatan
Rasio Kecepatan (Φ) adalah perbandingan antara kecepatan keliling linier turbin
pada ujung diameter nominalnya dibagi dengan kecepatan teoritis air melalui curat
dengan tinggi terjun sama dengan tinggi terjun(Hnetto) yang bekerja pada turbin.
Dengan N adalah putaran turbin rpm (rotasi per menit), D adalah diameter
karakteristik turbin (m), umumnya digunakan diameter nominal, H adalah tinggi
terjun netto/effektif (m).
2. Kecepatan satuan
Kecepatan Satuan ( N ) adalah kecepatan putar turbin yang U mempunyai
diameter ( D ) satu satuan panjang dan bekerja pada tinggi terjun ( H ) satu satuan
panjang. Netto Dari Pers.(1.1) diperoleh korelasi
dengan memasukan nilaiD= 1 m danH= 1 m, maka Pers.(1.2) menjadi:
Akhirnya persamaan diatas ditulis sebagai
5
3. Debit Satuan
Debit yang masuk turbin secara teoretis dapat diandaikan sebagai debit
yang melalui suatu curat dengan tinggi terjun sama dengan tinggi terjun ( H ) yang
bekerja pada turbin. Oleh karena itu debit yang netto melalui turbin dapat
dinyatakan sebagai
Dengan C adalah koefisien debit. d Debit Satuan ( Q ) adalah debit turbin
yang mempunyai diameter ( D) U satu satuan panjang dan bekerja pada tinggi
terjun ( H ) satu satuan netto panjang. (1.6) Akhirnya Pers.(1.5) dapat ditulis
sebagai:
Akrirnya pers diatas ditulis sebagai :
4. Daya satuan
Daya (P) yang dihasikan oleh turbin dapat dirumuskan:
6
dengan η adalah efisiensi turbin, γ adalah berat jenis air. Daya Satuan (Pu)
adalah daya turbin yang mempunyai diameter (D) satu satuan panjang dan bekerja
pada tinggi terjun (Hnetto) satu satuan netto panjang
maka persamaan diatas dapat ditulis:
5. Kecepatan Spesifik
Dari persamaan di atas maka dapat ditarik/menghasilkan korelasi :
Kecepatan Spesifik (Ns) adalah kecepatan putar turbin yang S menghasilkan daya
sebesar satu satuan daya pada tinggi terjun ( H netto ) satu satuan panjang.
Kecepatan Spesifik ( Ns ) dapat dinyatakan dalam sistim metric S maupun sistim
Inggris, korelasi dari kedua sistim tersebut dinyatakan dalam
Catatan: Satuan daya yang digunakan dalam rumus di atas adalah daya kuda (DK)
atau horse-power (HP)
7
6. Diameter Spesifik
Dari persamaan diatas ditarik korelasi
Diameter Spesifik (D) adalah diameter turbin yang menghasilkan S daya sebesar
satu satuan daya pada tinggi terjun ( H ) satu satuan netto panjang
Dari persaman diatas dapat ditulis sebagai :
Rumus empiris untuk menghitung diameter spesifik dari diameter1 debit
(discharge diameter, D3) untuk turbin reaksi adalah sebagai berikut:
Gambaran ,
8
Turbin piko merupakan penyederhanaan dari desain Crossflow T15 dibuat
semata-mata untuk menyebarluaskan teknologi yang semestinya dimiliki oleh seluruh
aspek sosial yang ada di masyarakat Indonesia. Turbin ini dikembangkan untuk dapat
menekan biaya produksi sehingga masyarakat di desa-desa yang jauh dari jaringan PLN
dapat ikut menikmati manfaat
energi listrik, seperti contoh pada
gambar dibawah ;
(Gambar turbin piko crossflow 100mm(TC100))
Hasil percobaan dengan
mengkombinasikan turbin piko
dengan motor dari bekas mesin
9
cuci yang saat ini tersedia cukup banyak (hasil recycle), target yang dituju adalah turbin
yang lebih ringkas, relatif murah dan aman (arus DC), seperti contoh pada gambar
disamping ;
(Gambar turbin piko crossflow dengan mengaplikasi motor dari mesin cuci)
(Lokasi pemasangan sudah tersedia.. turbin pun telah selesai dipabrikasi.. tinggal
memasangnya dan membuat jaringan ke masyarakat desa. Hal ini tentu membutuhkan
dana lebih banyak lagi, dengan adanya ini semoga dapat bermanfaat demi Indonesia
bebas krisis energi, dan juga mengedepankan energi terbarukan.
Bahan yang dipergunakan dalam turbin air skala kecil sangat mudah di dapat dan
tentunya dari segi biaya juga tidak terlalau mahal, sebagai contohnya saja untuk membuat
tubin piko crossflow 100mm(TC100), turbin untuk mengubah energi potensial air
menjadi energi mekanis, dan energi mekanis diubah generator menjadi tenaga listrik.
Konstruksi
Turbin mengubah energi pada air yang jatuh ke dalam terowongan-terowongan daya.
Ada berbagai macam tipe turbin yang bisa dikategorikan menjadi beberapa cara. Pilihan
turbin utamanya akan tergantung pada tekanan head yang ada dan pada aliran desain
untuk pemasangan pembangkit listrik tenaga air yang diajukan. Seperti yang ditunjukkan
pada berikut, turbin dibagi menjadi tiga kelompok; head tinggi, sedang, dan rendah, dan
menjadi dua kategori: impuls dan reaksi. Perbedaan antara impuls dan reaksi bisa
dijelaskan dengan menyatakan bahwa turbin impuls mengubah energi kinetik semburan
air menjadi gerakan yang mengenai ember atau bilah turbin.
10
Turbin kecil (umumnya dibawah 10 MW) mempunyai poros horisontal, dan
kadang dipakai juga pada kapasitas turbin mencapai 100 MW.
Turbin
Prinsip
Runner
Tekanan Head
Tinggi Sedang Rendah
ImpulsPelton Turgo
Crossflow
TurgoCrossflow
Pelton Multi Jet Pelton Muti Jet
Reaksi
Francis Pump-as-
turbin
(PAT)
Propeller
Kaplan
Tabel 2. Gambaran berbagai macam turbin.
Jenis-jenis turbin yang biasa digunakan pada turbin air skala kecil adalah Cross-
Flow, Propeller, Pelton dan PAT (Pump as Turbine). Pemilihan turbin disesuaikan
dengan besarnya head dan kecepatan aliran air (debit air), seperti yang terdapat pada
grafik di atas. Hal ini dimaksudkan untuk menjaga kinerja turbin (kapasitas) dan hasil
keluarannya.
Turbin Kaplan & Propeller
Turbin Kaplan dan propeller merupakan turbin rekasi aliran aksial. Turbin ini
tersusun dari propeller seperti pada perahu.. Propeller tersebut biasanya mempunyai tiga
hingga enam sudu.
11
Gambar 1.11. Turbin Kaplan
Turbin Crossflow
Salah satu jenis turbin impuls ini juga dikenal dengan nama Turbin Michell-Banki yang merupakan penemunya. Selain itu juga disebut Turbin Osberger yang merupakan perusahaan yang memproduksi turbin crossflow. Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 litres/sec hingga 10 m3/sec dan head antara 1 s/d 200 m.
Gambar 1.9. Turbin Crossflow
Turbin Zcrossflow menggunakan nozle persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Air mengalir keluar membentur sudu dan memberikan energinya (lebih rendah dibanding saat masuk) kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel.
12
Gambar 1.10. Turbin Crossflow
Transmisi Mekanik
Air memasuki turbin, kemudian diarahkan oleh salah satu baling-baling pengarah
yang terletak di bagian arus atas dari runner, dan melewati tahapan pertama runner yang
berputar penuh dengan derajat reaksi yang kecil.Turbin Kaplan dan baling-baling adalah
turbin reaksi dengan aliran aksial, biasanya digunakan untuk head-head rendah. Turbin
Kaplan memiliki bilah runner yang bisa disesuaikan atau tidak memiliki baling-baling
pemandu yang bisa disesuaikan. Jika bilah dan baling-baling pemandu bisa disesuaikan
maka turbin ini disebut dengan turbin pengaturan ganda. Jika baling-baling pemandunya
adalah tetap maka disebut dengan turbin pengaturan tunggal. Turbin baling-baling yang
tidak berpengaturan biasanya digunakan ketika aliran dan head secara praktis tetap
konstan.
Turbin Kaplan pengaturan ganda, seperti yang digambarkan adalah mesin dengan
sumbu vertikal yang memiliki tempat berupa gulungan dan konfigurasi pintu kecil
berbentuk lingkaran. Aliran memasuki bagian lingkaran secara memutar dan membelok
pada sudut yang tepat sebelum memasuki runner pada arah aksial. Sistem kontrolnya
dirancang sedemikian rupa sehingga variasi pada sudut bilah digabungkan dengan
pengaturan balingbaling pemandu untuk mendapatkan efisiensi yang terbaik pada
berbagai macam aliran. Bilahbilah ini bisa memutar bersama turbin saat beroperasi, yaitu
melalui sambungan yang terhubung pada tangkai vertikal yang berada di dalam lubang
sumbu turbin. Unit bola diperoleh dari turbin Kaplan, dengan generator yang berada di
dalam bola tahan air yang terendam di dalam aliran.
13
Generator
Generator mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Tergantung pada
karakteristik jaringan yang dipasok, produsen bisa memilih antara: Generator sinkronus
yang dilengkapi dengan sistem eksitasi DC (rotasi atau statis) yang terkait dengan
regulator tegangan, untuk memberikan tegangan, frekuensi dan control sudut fase
sebelum generator disambungkan ke jaringan dan memasok energi reaktif yang
diperlukan oleh sistem tenaga ketika generator telah disambungkan ke jaringan.
Generator ansinkronus adalah motor induksi sederhana yang tidak menggunakan
pengaturan voltase dan berjalan pada kecepatan yang secara langsung terkait dengan
frekuensi sistem. Mereka menarik arus eksitasinya dari jaringan, sehingga menyerap
energi reaktif dari magnetismenya sendiri. Efisiensi generator ansinkronus adalah 2
sampai 4 per sen di bawah efisiensi generator sinkronus selama seluruh kisaran operasi.
Secara umum, ketika daya melebihi 5000 kVA maka generator sinkronus perlu dipasang.
Tegangan kerja dari generator bervariasi sesuai dengan dayanya. Tegangan pembangkitan
standard adalah 380 V atau 430 V sampai dengan 1400 kVA dan 6000/6600 untuk
pembangkit yang lebih besar. Pembangkitan pada tegangan 380 V atau 430 V
memungkinkan penggunaan transformer distribusi strandard sebagai transformer saluran
keluar dan penggunaan arus buatan untuk memasok ke dalam sistem daya pembangkit.
Sistem Kontrol dan Proteksi
Sistem kontrol yang digunakan pada perencanaan menggunakan pengaturan beban
sehingga jumlah output daya generator selalu sama dengan beban. Apabila terjadi
penurunan beban di konsumen, maka beban tersebut akan dialihkan ke sistem pemanas
udara (Air Heater Ballast Load) atau (Water Heater Ballast Load) yang dikenal sebagai
ballast load (Elektronik Load Controller) atau dumy load.
14
Transmisi Distribusi
System transmisi daya yang dihasilkan terdiri dari beberapa komponen utama, antara
lain trave step-up kelas menengah, tiang, kabel, dll. Jaringan distribusi merupakan
pendistribusian daya ke rumah-rumah atau konsumen yang dilengkapi dengan sebuah
KWh meter, instalasi rumah, dll.
Biaya
Turbin air skala kecil sangat mudah di dapat dan tentunya dari segi biaya juga tidak
terlalau mahal, sebagai contohnya saja untuk membuat tubin piko crossflow
100mm(TC100), turbin untuk mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis, dan
energi mekanis diubah generator menjadi tenaga listrik. Turbin piko yang merupakan
penyederhanaan dari desain Crossflow T15 dibuat semata-mata untuk menyebarluaskan
teknologi yang semestinya dimiliki oleh seluruh aspek sosial yang ada di masyarakat
Indonesia. Turbin ini dikembangkan untuk dapat menekan biaya produksi sehingga
masyarakat di desa-desa yang jauh dari jaringan PLN dapat ikut menikmati manfaat
energi listrik.
15
Daftar Pustaka
Wibowo Paryatmo, TURBIN AIR, Graha ilmu, Jakarta. 2007
Djoko Luknanto, Bangunan Tenaga Air. Materi Diklat
Emil Mosonyi, Akadémiai Kiadó, Budapest, Water Power Development, Volume One,
Low–Head Power Plants hal. 655
Marthen Sattu Sambo, Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH)
Sumber. http://en.wikipedia.org/wiki/Kaplan_turbine
Sumber: http://home.carolina.rr.com/microhydro
Sumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf
16