2. Gambaran
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.
3. Sejarah
Teori Pengoperasian
Jenis–Jenis Turbin Air
Desain dan Apikasi
Pemeliharaan
Pengaruh Pada Lingkungan
End
4. Kincir air sudah sejak lama digunakan untuk tenaga industri. Pada mulanya yang
dipertimbangkan adalah ukuran kincirnya, yang membatasi debit dan head yang dapat
dimanfaatkan.
Perkembangan kincir air menjadi turbin modern membutuhkan jangka waktu yang cukup
lama. Perkembangan yang dilakukan dalam waktu revolusi industri menggunakan metode dan
prinsip ilmiah. Mereka juga mengembangkan teknologi material dan metode produksi baru pada
saat itu.
Kata "turbine" ditemukan oleh seorang insinyur Perancis yang bernama Claude Bourdin pada
awal abad 19, yang diambil dari terjemahan bahasa Latin dari kata "whirling" (putaran) atau
"vortex" (pusaran air). Perbedaan dasar antara turbin air awal dengan kincir air adalah komponen
putaran air yang memberikan energi pada poros yang berputar. Komponen tambahan ini
memungkinkan turbin dapat memberikan daya yang lebih besar dengan komponen yang lebih kecil.
Turbin dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih cepat dan dapat memanfaatkan head yang
lebih tinggi. (Untuk selanjutnya dikembangkan turbin impulse yang tidak membutuhkan putaran
air).
5. Runtutan Sejarah
Sebuah sudu turbin Francis yang menghasilkan daya
hampir 1 juta hp. Sedang dipasang pada bendungan
Grand Coulee.
Sebuah sudu tipe baling-baling yang menghasilkan
daya 28 ribu hp.
6. Runtutan Sejarah
Ján Andrej Segner mengembangkan turbin air reaksi pada pertengahan tahun 1700. turbin ini
mempunyai sumbu horizontal dan merupakan awal mula dari turbin air modern. Turbin ini
merupakan mesin yang simpel yang masih diproduksi saat ini untuk pembangkit tenaga listrik skala
kecil. Segner bekerja dengan Euler dalam membuat teori matematis awal untuk desain turbin.
Pada tahun 1820, Jean-Victor Poncelet mengembangkan turbin aliran kedalam.
Pada tahun 1826, Benoit Fourneyon mengembangkan turbin aliran keluar. Turbin ini sangan
efisien (~80%) yang mengalirkan air melalui saluran dengan sudu lengkung satu dimensi. Saluran
keluaran juga mempunyai lengkungan pengarah.
Pada tahun 1844, Uriah A. Boyden mengembangkan turbin aliran keluar yang meningkatkan
performa dari turbin Fourneyon. Bentuk sudunya mirip dengan turbin Francis.
Pada tahun 1849, James B. Francis meningkatkan efisiensi turbin reaksi aliran kedalam hingga
lebih dari 90%. Dia memberikan test yang memuaskan dan mengembangkan metode engineering
untuk desain turbin air. Turbin Francis dinamakan sesuai dengan namanya, yang merupakan turbin
air modern pertama. Turbin ini masih digunakan secara luas di dunia saat ini.
7. Runtutan Sejarah
Turbin air aliran kedalam mempunyai susunan mekanis yang lebih baik dan semua turbin
reaksi modern menggunakan desain ini. Putaran massa air berputar hingga putaran yang semakin
cepat, air berusaha menambah kecepatan untuk membangkitkan energi. Energi tadi dibangkitkan
pada sudu dengan memanfaatkan berat jatuh air dan pusarannya. Tekanan air berkurang sampai nol
sampai air keluar melalui sirip turbin dan memberikan energi.
Sekitar tahun 1890, bantalan fluida modern ditemukan, sekarang umumnya digunakan untuk
mendukung pusaran turbin air yang berat. Hingga tahun 2002, bantalan fluida terlihat mempunyai
arti selama lebih dari 1300 tahun
Sekitar tahun 1913, Victor Kaplan membuat turbin Kaplan, sebuah tipe mesin baling-baling.
Ini merupakan evolusi dari turbin Francis tetapi dikembangkan dengan kemampuan sumber air yang
mempunyai head kecil.
8. Sebuah Konsep Baru
Pada umumnya semua turbin air hingga akhir abad 19 (termasuk kincir air) merupakan mesin
reaksi; tekanan air yang berperan pada mesin dan menghasilkan kerja. Sebuah turbin reaksi
membutuhkan air yang penuh dalam proses transfer energi.
Pada tahun 1866, tukang pembuat gilingan di California, Samuel Knight menemukan sebuah
mesin yang mengerjakan tuntas sebuah konsep yang berbeda jauh. Terinspirasi dari system jet
tekanan tinggi yang digunakan dalam lapangan pengeboran emas hidrolik, Knight mengembangkan
ceruk kincir yang dapat menangkap energi dari semburan jet, yang ditimbulkan dari energi kinetik air
pada sumber yang cukup tinggi (ratusan kaki) yang dialirkan melalui sebuah pipa saluran. Turbin ini
disebut turbin impulse atau turbin tangensial. Aliran air mendorong ceruk disekeliling kincir turbin
pada kecepatan maksimum dan jatuh keluar sudu dengan tanpa kecepatan.
Pada tahun 1879, Lester Pelton, melakukan percobaan dengan kincir Knight, dikembangkanlah
desain ceruk ganda yang membuang air kesamping, menghilangkan beberapa energi yang hilang
pada kincir Knight yang membuang sebagian air kembali melawan kincir. Sekitar tahun 1895, William
Doble mengembangkan ceruk setengah silinder milik Pelton menjadi ceruk berbentuk bulat
memanjang, termasuk sebuah potongan didalamnya yang memungkinkan semburan untuk
membersihkan masukan ceruk. Turbin ini merupakan bentuk modern dari turbin Pelton yang saat ini
dapat memberikan efisiensi hingga 92%. Pelton telah memprakarsai desain yang efektif, kemudian
Doble mengambil alih perusahaan Pelton dan tidak mengganti namanya menjadi Doble karena nama
Pelton sudah dikenal.
Turgo dan turbin aliran silang merupakan desain turbin impulse selanjutnya.
10. Teori Pengoperasian
Aliran air diarahkan langsung menuju sudu-sudu melalui pengarah, menghasilkan daya pada
sirip. Selama sudu berputar, gaya bekerja melalui suatu jarak, sehingga menghasilkan kerja. Dalam
proses ini, energi ditransfer dari aliran air ke turbin.
Turbin air dibedakan menjadi dua kelompok, yaitu turbin reaksi dan turbin impuls.
Kepresisian bentuk turbin air, apapun desainnya, semua digerakkan oleh suplai tekanan air.
11. Turbin Reaksi
Turbin reaksi digerakkan dengan air, yang merubah tekanan sehingga melewati turbin dan
menaikkan energi. Turbin reaksi harus menutup untuk mengisi tekanan air (pengisap) atau mereka
harus sepenuhnya terendam dalam aliran air.
Hukum ketiga Newton menggambarkan transfer energi untuk turbin reaksi
Turbiin air yang paling banyak digunakan adalah turbin reaksi. Turbin reaksi digunakan untuk
aplikasi turbin dengan head rendah dan medium.
12. Turbin Impuls
Turbin impuls merubah aliran semburan air. Semburan turbin membentuk sudut yang membuat
aliran turbin. Hasil perubahan momentum (impuls) disebabkan tekanan pada sudu turbin. Sejak turbin
berputar, gaya berputar melalui kerja dan mengalihkan aliran air dengan mengurangi energi.
Sebelum mengenai sudu turbin, tekanan air (energi potensial) dikonversi menjadi energi
kinetik oleh sebuah nosel dan difokuskan pada turbin. Tidak ada tekanan yang dirubah pada sudu
turbin, dan turbin tidak memerlukan rumahan untuk operasinya.
Hukum kedua Newton menggambarkan transfer energi untuk turbin impuls.
Turbin impuls paling sering digunakan pada aplikasi turbin tekanan sangat tinggi.
13. Daya
Tenaga yang didapat dari aliran air adalah,
P = η ρ g h i
Dimana
· P = Daya (J/s or watts)
· η = efisiensi turbin
· ρ = massa jenis air (kg/m3)
· g = percepatan gravitasi (9.81 m/s2)
· h = head (m). Untuk air tenang, ada perbedaan berat antara permukaan masuk dan keluar.
Perpindahan air memerlukan komponen tambahan untuk ditambahkan untuk mendapatkan aliran
energi kinetik. Total head dikalikan tekanan head ditambah kecepatan head.
· i = aliran rata-rata (m3/s)
14. Pompa Penyimpanan
Beberapa turbin air didesain untuk pompa penyimpan hidroelektrik. Pompa ini dapat
mengalirkan dan mengoperasikan pompa untuk memenuhi reservoir tinggi selama listrik tidak
beroperasi dan kemudian kembali ke turbin untuk membangkitkan daya selama permintaan listrik
tidak beroperasi. Turbin tipe ini biasanya berupa desain turbin Deriaz atau Francis.
15. Efisiensi
Turbin air modern dioperasikan pada efisiensi mekanis lebih dari 90% (tidak terpengaruh
efisiensi termodinamika).
19. Desain dan Aplikasi
Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head
air yang didapatkan dan kurang lebih pada rata-rata
alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan untuk
tempat dengan head tinggi, dan turbin reaksi digunakan
untuk tempat dengan head rendah. Turbin Kaplan baik
digunakan untuk semua jenis debit dan head, efisiiensinya
baik dalam segala kondisi aliran.
Turbin kecil (umumnya dibawah 10 MW)
mempunyai poros horisontal, dan kadang dipakai juga
pada kapasitas turbin mencapai 100 MW. Turbin Francis
dan Kaplan besar biasanya mempunyai poros / sudu
vertikal karena ini menjadi penggunaan paling baik untuk
head yang didapatkan, dan membuat instalasi generator
lebih ekonomis. Poros Pelton bisa vertikal maupun
horisontal karena ukuran turbin lebih kecil dari head yang
di dapat atau tersedia. Beberapa turbin impuls
menggunakan beberapa semburan air tiap semburan untuk
meningkatkan kecepatan spesifik dan keseimbangan gaya
poros.
20. Tipe Penggunaan Head
· Kaplan 2<H<40 (H=head dalam meter)
· Francis 10<H<350
· Pelton 50<1300
· Turgo 50<H<250
21. Kecepatan Spesifik
Kecepatan spesifik (ns), menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak berhubungan dengan
ukurannya. Hal ini menyebabkan desain turbin baru yang diubah skalanya dari desain yang sudah ada
dengan performa yang sudah diketahui. Kecepatan spesifik merupakan kriteria utama yang
menunjukkan pemilihan jenis turbin yang tepat berdasarkan karakteristik sumber air.
Kecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan sebagai kecepatan ideal, persamaan
geometris turbin, yang menghasilkan satu satuan daya tiap satu satuan head.
Kecepatan spesifik tubin diberikan oleh perusahaan (dengan penilaian yang lainnya) dan dan
selalu dapat diartikan sebagai titik efisiensi maksimum. Perhitungan tepat ini menghasilkan performa
turbin dalam jangkauan head dan debit tertentu.
22. Kecepatan Spesifik
, n = rpm
, Ω = kecepatan sudut (radian/detik)
4
/
5
H
P
n
ns
4
/
5
/
gH
P
Ns
Gambar diadaptasi dari European Community's Layman's Guidebook
(on how to develop a small hydro site)
23. Kecepatan Spesifik
Contoh: Diketahui debit dan head dari sebuah sumber air dan rpm kebutuhan dari generator.
Hitunglah kecepatan spesifiknya. Hasilnya merupakan kriteria utama dalam pemilihan turbin.
Kecepatan spesifik juga merupakan titik awal dari analisis desain dari sebuah turbin baru.
Sekali kecepatan spesifik yang diinginkan diketahui, dimensi dasar dari bagian-bagian turbin dapat
dihitung dengan mudah.
Hukum Affinity mengijinkan keluaran turbin dapat diperkirakan berdasarkan dari test
permodelan. Replika miniatur dari desain yang diusulkan, diameter sekitar satu kaki (0,3 m), dapat
diuji dan hasil pengukuran laboratorium dapat digunakan sebagai kesimpulan dengan tingkat
keakuratan yang tinggi. Hukum Affinity didapatkan dari penurunan yang membutuhkan persamaan
antara test permodelan dan penggunaanya.
Debit yang melalui turbin dikendalikan dengan katub yang besar atau pintu gerbang yang
disusun diluar sekeliling pengarah turbin. Perubahan head dan debit dapat dilakukan dengan variasi
bukaan pintu, akan menghasilkan diagram yang menunjukkan efisiensi turbin dengan kondisi yang
berubah-ubah.
24. Putaran Liar
Putaran liar turbin air adalah kecepatan saat debit maksimum dengan tanpa beban poros.
Turbin didesain untuk bertahan dari gaya mekanis dengan kecepatan ini. Perusahaan akan
memberikan putaran liar yang diijinkan.
26. Pemeliharaan
Sebuah turbin Francis dalam masa akhir penggunaanya, menunjukkan
lubang kavitasi, retakan kelelahan dan kerusakan besar. Dapat dilihat bekas
perbaikan sebelumnya dengan las stainless steel.
Turbin didesain untuk bekerja dalam jangka waktu puluhan tahun
dengan sangat sedikit pemeliharaan pada elemen utamanya, interval
pemeriksaan total dilakukan dalam jangka waktu beberapa tahun.
Pemeliharaan pada sudu, pengarah dan part lain yang bersentuhan dengan air
termasuk pembersihan, pemeriksaan dan perbaikan part yang rusak.
Keausan umumnya adalah lubang akibat kavitasi, retakan kelelahan dan
pengikisan dari benda padat yang tercampur dalam air. Elemen baja diperbaiki
dengan pengelasan, umumnya dengan las stainless steel. Area yang berbahaya
dipotong atau digerinda, kemudian dilas sesuai dengan bentuk aslinya atau
dengan profil yang diperkuat. Sudu turbin tua mungkin akan mempunyai
banyak tambahan stainless steel hingga akhir penggunaannya. Prosedur
pengelasan yang rumit mungkin digunakan untuk mendapatkan kualitas
perbaikan terbaik.
Elemen lainnya yang membutuhkan pemeriksaan dan perbaikan selama
pemeriksaan total termasuk bantalan, kotak paking dan poros, motor servo,
sistem pendingin untuk bantalan dan lilitan generator, cincin seal, elemen
sambungan gerbang dan semua permukaan.
28. Pengaruh Pada Lingkungan
Turbin air mempunyai pengaruh positif dan negatif bagi lingkungan.
Turbin adalah salah satu penghasil tenaga terbersih, menggantikan pembakaran bahan bakar
fosil dan menghapuskan limbah nuklir. Turbin menggunakan energi terbarukan dan dedesain untuk
beroperasi dalam jangka waktu puluhan tahun. Turbin memproduksi sumber energi listrik dunia
dengan jumlah yang besar.
Dalam sejarah turbin juga mempunyai konsekuensi negatif. Putaran sudu atau gerbang
pengarah dari turbin air dapat mengganggu ekologi natural sungai, membunuh ikan, menghentikan
migrasi dan menggangu mata pencaharian manusia. Contohnya, suku Indian Amerika di Pasific
Northwest mempunyai mata pencaharian memancing ikan salmon, tapi pembangunan dam secara
agresif menghancurkan jalan hidupnya. Hingga akhir abad 20, dapat dimungkinkan untuk
membangun sistem pembangkit tenaga air yang mengalihkan ikan dan organisme lainnya dari saluran
masuk turbin tanpa kerusakan atau kehilangan tenaga yang berarti. Sistem akan memerlukan sedikit
pembersihan tetapi secara pada dasarnya lebih mahal untuk dibangun. Di Amerika Serikat sekarang
menahan migrasi ikan adalah ilegal, sehingga tangga ikan harus disediakan oleh pembangun
bendungan.
