Turbin Air

 

Dalam pembangkit listrik tenaga air (PLTA) turbin air merupakan peralatan utama selain generator. Turbin air adalah alat untuk mengubah energi potensial air menjadi menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini kemudian diubah menjadi energi listrik oleh generator. Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk pembangkit tenaga listrik.

 

Pengertiaan PLTA/Hydropower

            Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) adalah pembangkit listrik yang mengandalkan energi potensial dan kinetik dari air untuk menghasilkan energi listrik. Energi listrik yang dibangkitkan dari ini biasa disebut sebagai hidroelektrik. Empat komponen utama dari PLTA ialah waduk atau bendungan, saluran pelimpah (pembawa air), gedung sentral (powerhouse), dan serandang hubung (switchyard) atau unit transmisi yang mengalirkan produksi listrik ke konsumen. Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah motor yang dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh tenaga kinetik dari air. Namun, secara luas, pembangkit listrik tenaga air tidak hanya terbatas pada air dari sebuah waduk atau air terjun, melainkan juga meliputi pembangkit listrik yang menggunakan tenaga air dalam bentuk lain seperti tenaga ombak.

 

Pengertiaan turbin air

            Turbin air adalah alat untuk mengubah energi potensial air menjadi menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini kemudian diubah menjadi energi listrik oleh generator.Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk pembangkit tenaga listrik. Dalam pembangkit listrik tenaga air (PLTA) turbin air merupakan peralatan utama selain generator. Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi kinetik, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi.

            Komponen-komponen utama pada turbin air terdiri dari rotor dan stator. Rotor merupakan bagian yang berputar pada sistem turbin air. Stator merupakan bagian yang diam pada turbin air.

A. Bagian Rotor

1.   Sudu pengarah berfungsi untuk mengontrol kapasitas aliran masuk turbin.

2.   Poros berfungsi untuk meneruskan aliran tenaga yang berupa gerak putar yang dihasilkan oleh sudu.

3.   Bantalan berfungsi sebagai perapat-perapat komponen-komponen dengan tujuan agar tidak mengalami kebocoran pada sistem.

4.   Runner berfungsi untuk   merubah energi potensial fluida menjadi energi mekanik.

B. Bagian Stator

1.   Pipa pengarah/nozzle berfungsi untuk meneruskan alira fluida sehingga tekanan dan kecepatan alir fluida yang digunakan di dalam sistem besar.

2.   Rumah turbin berfungsi sebagai rumah kedudukan komponen komponen dari turbin.

 

Klasifikasi turbin air

            Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi kinetik, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi.

A. Turbin Impuls

            Turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya merubah seluruh energi air (yang terdiri dari energi potensial + tekanan + kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi kinetik. Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozle. Air keluar nozle yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nozle tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan. Contoh turbin impuls adalah turbin Pelton. Adapun macam-macam turbin impuls antara lain :

1.  Turbin Pelton

Turbin Pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton pertama kali ditemukan oleh insinyur dari Amerika yaitu Lester A. Pelton pada tahun 1880. Turbin pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin ini dioperasikan pada tinggi jatuh air (head) sampai 1800 m, turbin ini relative membutuhkan jumlah air yang lebih sedikit dan biasanya porosnya dalam posisi mendatar. Turbin pelton sering disebut dengan turbin tekanan sama karena selama mengalir di sepanjang sudu-sudu turbin tidak terjadi penurunan tekanan, sedangkan perubahan seluruhnya terjadi pada bagian pengarah pancaran atau nosel, dimana air yang semula mempunyai energi potensial yang tinggi dirubah menjadi energi kinetis.

Gambar 1 Turbin Pelton

 

2.  Turbin Turgo

Turbin turgo dapat beroperasi pada head 50 m s/d 250 m. Seperti turbin

pelton turbin turgo merupakan turbin impuls, kelebihan dan kekurangan kedua turbin ini pun sama, yang membuat keduanya berbeda ialah bentuk sudu dari masing-masing turbin. Kecepatan putar turbin turgo lebih besar dari turbin pelton, akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan.

Gambar 2 Turbin Turgo

 

B. Turbin Reaksi

     Turbin reaksi adalah turbin yang memanfaatkan energi potensial untuk menghasilkan energi gerak. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selam  melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga runner dapat berputar. Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin. Turbin reaksi bekerja secara langsung mengubah energi kinetik juga energi tekanan secara bersamaan menjadi energi mekanik. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi, jenis dari turbin ini adalah turbin francis dan turbin kaplan.

1.  Turbin Francis

Turbin francis pertama kali ditemukan sekitar tahun 1950 oleh orang Amerika yang bernama Howk dan Francis. Teknik mengkonversikan energi potensial menjadi energi mekanik pada roda air turbin dilakukan

melalui proses reaksi sehingga turbin francis juga sering disebut turbin

reaksi. Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian keluar. Konstruksi turbin francis terdiri dari sudu pengarah dan sudu jalan. Perubahan energi seluruhnya terjadi pada sudu pengarah dan sudu gerak yang keduanya terendam dalam air. Turbin francis merupakan jenis turbin tekanan lebih. Aliran air masuk ke sudu pengarah dengan kecepatan semakin naik dengan tekanan yang semakin turun sampai roda jalan, pada roda jalan kecapatan akan naik lagi dan tekanan turun sampai di bawah 1 atm. Untuk menghindari kavitasi, tekanan harus dinaikan sampai 1 atm dengan cara pemasangan pipa hisap. Pengaturan daya yang dihasilkan yaitu dengan mengatur posisi pembukaan sudu pengarah, sehingga kapasitas air yang masuk ke roda turbin dapat diperbesar atau diperkecil. Turbin francis dapat dipasang dengan poros vertikal dan horizontal. Turbin ini digunakan untuk tinggi terjun sedang, yaitu 20 - 440 meter. Turbin francis dapat dibuat dengan kecepatan putar yang tingginya sama, dimana kecepatan putar yang tinggi tersebut menghasilkan keuntungan terhadap berat turbin air dan generatornya. Tidak ada kerugian tinggi air jatuh akibat adanya ruang bebas. Efisiensi untuk turbin francis dengan beban penuh cukup baik, tetapi akan memburuk jika bebannya tidak penuh.

Gambar 3 Turbin Francis

 

2.  Turbin Kaplan

Turbin kaplan dikembangkan pada tahun 1913 oleh Profesor Austria Viktor Kaplan. Turbin Kaplan merupakan evolusi dari turbin francis. Tidak berbeda dengan turbin francis, cara kerja turbin kaplan menggunakan prinsip reaksi. Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan baling-baling pesawat terbang. Bila baling baling pesawat terbang berfungsi untuk menghasilkan gaya dorong, roda jalan pada turbin kaplan berfungsi untuk mendapatkan gaya putar yang dapat menghasilkan torsi pada poros turbin. Dikarenakan turbin ini mempunyai kelebihan dapat menyesuaikan head yang berubah-ubah, maka turbin kaplan banyak dipakai pada instalasi pembangkit listrik tenaga air sungai. Pada pemilihan turbin didasarkan pada kecepatan spesifiknya, turbin kaplan ini memiliki kecepatan spesifik yang tinggi (high spesific speed) sehingga ukuran roda turbin lebih kecil dan dapat dikopel langsung dengan generator. Turbin kaplan bekerja pada kondisi tinggi jatuh air (head) rendah dengan debit yang besar. Pada kondisi beban yang tidak penuh turbin kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi, hal ini dikarenakan sudu-sudu turbin kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban yang ada.

Gambar 4 Turbin Kaplan

 

            Berdasarkan arah alirannya, turbin dikelompokkan menjadi 2 kelompok, yaitu turbin aliran radial dan turbin aliran aksial.

A. Turbin Aliran Radial

     Turbin aliran radial adalah turbin yang arah alirannya tegak lurus dengan arah putaran poros turbin. Turbin dengan aliran radial digunakan untuk laju alir (aliran working fluid) rendah dan dengan perbedaaan tekanan (difference pressure) tinggi.

Gambar 5 Turbin Aliran Radial

 

B. Turbin Aliran Aksial

     Turbin yang sejajar dengan arah putaran poros turbin. Turbin dengan aliran aksial digunakan untuk laju alir tinggi dan dengan perbedaan tekanan rendah (1 – 40 bar). Axial-flow turbines kebanyakan digunakan dalam aplikasi yang melibatkan fluida kompresibel. Dalam banyak penggunaan, efisiensi Axial-flow turbine lebih tinggi dibandingkan radial-inflow turbines. 

Gambar 6 Turbin Aliran Aksial

 

Pengertiaan turbin pelton dan segitiga kecepataan

A. Turbin Pelton 

     Turbin Pelton ditemukan pada tahun 1870an oleh Lester Allan Pelton. Jenis Turbin ini memiliki satu atau beberapa jet penyemprot air untuk memutar piringan.Tak seperti turbin jenis reaksi, turbin ini tidak memerlukan tabung diffuser. Ketinggian air (head) = 200 s.d 2000 meter. Debit air = 4 s.d 15 m3/s. Turbin pelton digolongkan ke dalam jenis turbin impuls atau tekanan sama. Karena selama mengalir di sepanjang sudu-sudu turbin tidak terjadi penurunan tekanan, sedangkan perubahan seluruhnya terjadi pada bagian pengarah pancaran atau nosel. Energi yang masuk ke roda jalan dalam bentuk energi kinetik. Turbin Pelton yang bekerja dengan prinsip impuls, semua energi tinggi dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan. Pancaran air tersebut yang akan menjadi gaya tangensial F yang bekerja pada sudu roda jalan. Turbin pelton beroperasi pada tinggi jatuh yang besar .

Gambar 7 Turbin Pelton

 

     Tidak semua sudu menerima pancaran air, hanya sebagaian – jarum katup air tekanan tinggi bagaian saja scara bergantian bergantung posisi sudut tersebut. Jumlah noselnya bergantung kepada besarnya kapasitas air, tiap roda turbin dapat dilengkapi dengan nosel 1 sampai 6. Ukuran-ukuran utama turbin pelton adalah diameter lingkar sudu yang kena pancaran air, disingkat diameter lingkaran pancar dan diameter pancaran air. Pengaturan nosel akan menentukan kecepatan dari turbin. Untuk turbin-turbin yang bekerja pada kecepatan tinggi jumlah nosel diperbanyak.

Keuntungan turbin pelton :

1)   Daya yang dihasilkan besar

2)       Konstruksi yang sederhana

3)   Mudah dalam perawatan

4)   Teknologi yang sederhana mudah diterapkan di daerah yang terisolir.

Kekurangan :

1)   Karena aliran air berasal dari atas maka biasanya reservoir air atau bendungan air, sehingga memerlukan investasi yang lebih  banyak.

B. Segitiga Kecepatan

     Segitiga kecepatan adalah dasar kinematika dari aliran fluida gas yang menumbuk sudu turbin. Dengan pemahaman segitiga kecepatan akan sangat membantu dalam pemahaman proses konversi pada sudusudu turbin uap atau pada jenis turbin yang lain. Adapun notasi dari segitiga kecepatan adalah sebagai berikut:

V_s1       =  kecepatan absolut fluida meninggalkan nosel

V_B     =  kecepatan sudu

V_r1    =  kecepatan relatif fluida

V_r2    =  kecepatan relatif fluida meninggalkan sudu

V_s2    =  kecepatan absolut fluida meninggalkan sudu

 

     Dari segitiga kecepatan di atas, panjang pendeknya garis adalah mewakili dari besar kecepatan masing-masing. Sebagai contoh, fluida masuk sudu dari nosel dengan kecepatan VS1 kemudian ke luar dari nosel sudah berkurang menjadi VS2 dengan garis yang lebih pendek. Artinya sebagian energi kinetik fluida masuk sudu diubah menjadi energi kinetik sudu dengan kecepatan VB , kemudian fluida yang sudah memberikan energinya meninggalkan sudu dengan kecepatan VS2. 

Gambar 8 Segitiga Kecepatan Pada Sudu Turbin Impuls

 

     Pada turbin, proses perubahan energi mulai terjadi di nosel, yaitu ekspansi fluida gas pada nosel. Pada proses ekspansi di nosel, energi fluida mengalami penurunan, demikian juga tekanannya. Berbarengan dengan penurunan energi dan tekanan, kecepatan fluida gas naik, dengan kata lain energi kinetik fluida gas naik karena proses ekspansi. Kemudian, fluida gas dengan energi kinetik tinggi menumbuk sudu turbin dan memberikan sebagian energinya ke sudu, sehingga sudu pun begerak. Perubahan energi dengan tumbukan fluida di sudu adalah azas impuls.

     Untuk perubahan energi dengan azas reaksi, sudu turbin reaksi berfungsi seperti nosel. Hal ini berarti, pada sudu turbin reaksi terjadi proses ekspansi, yaitu penurunan tekanan fluida gas dengan dibarengi kenaikan kecepatan. Karena prinsip reaksi adalah gerakan melawan aksi, jadi dapat dipahami dengan kenaikan kecepatan fluida gas pada sudu turbin reaksi, sudu turbin pun akan bergerak sebesar nilai kecepatan tersebut dengan arah yang berlawanan.