Dokumen tersebut membahas tentang sejarah, teori pengoperasian, jenis-jenis, dan penggunaan turbin air. Turbin air dikembangkan pada abad ke-19 dan digunakan secara luas untuk pembangkit listrik."

1. TURBIN AIR

2.  Sejarah
 Teori Pengoperasian
 Jenis–Jenis Turbin Air
 Desain dan Apikasi
 Pemeliharaan
 Pengaruh Pada Lingkungan
 End

3. Kincir air
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.
Kincir air merupakan sarana untuk merubah energi air menjadi energi
mekanik berupa torsi pada poros kincir. Ada beberapa tipe kincir air yaitu :
1. Kincir Air Overshot
2. Kincir Air Undershot
3. Kincir Air Breastshot
4. Kincir Air Tub

4. Sumber. http://osv.org/education/WaterPower
Kincir Air Overshot
Kincir air overshot bekerja
bila air yang mengalir jatuh
ke dalam bagian sudu-sudu
sisi bagian atas, dan karena
gaya berat air roda kincir
berputar. Kincir air overshot
adalah kincir air yang paling
banyak digunakan
dibandingkan dengan jenis
kincir air yang lain.
Sumber. http://osv.org/education/WaterPower

5. Keuntungan
 Tingkat efisiensi yang tinggi dapat mencapai 85%.
 Tidak membutuhkan aliran yang deras.
 Konstruksi yang sederhana.
 Mudah dalam perawatan.
 Teknologi yang sederhana mudah diterapkan di daerah yang terisolir.
Kerugian
 Karena aliran air berasal dari atas maka biasanya reservoir air atau
bendungan air, sehingga memerlukan investasi yang lebih banyak.
 Tidak dapat diterapkan untuk mesin putaran tinggi.
 Membutuhkan ruang yang lebih luas untuk penempatan.
 Daya yang dihasilkan relatif kecil.

6. Kincir Air Undershot
Kincir air undershot bekerja bila
air yang mengalir, menghantam
dinding sudu yang terletak pada
bagian bawah dari kincir air.
Kincir air tipe undershot tidak
mempunyai tambahan
keuntungan dari head.Tipe ini
cocok dipasang pada perairan
dangkal pada daerah yang rata.
Tipe ini disebut juga dengan
”Vitruvian”. Disini aliran air
berlawanan dengan arah sudu
Gambar Kincir air Undershot yang memutar kincir.
Sumber. http://osv.org/education/WaterPower

7. Keuntungan
 Konstruksi lebih sederhana
 Lebih ekonomis
 Mudah untuk dipindahkan
Kerugian
 Efisiensi kecil
 Daya yang dihasilkan relatif kecil

8. Kincir Air Breastshot
Kincir air Breastshot merupakan
perpaduan antara tipe overshot
dan undershot dilihat dari energi
yang diterimanya. Jarak tinggi
jatuhnya tidak melebihi diameter
kincir, arah aliran air yang
menggerakkan kincir air disekitar
sumbu poros dari kincir air. Kincir
air jenis ini menperbaiki kinerja
dari kincir air tipe under shot
Gambar Kincir air Breastshot
Sumber. http://osv.org/education/WaterPower

9. Keuntungan
 Tipe ini lebih efisien dari tipe under shot
 Dibandingkan tipe overshot tinggi jatuhnya lebih pendek
 Dapat diaplikasikan pada sumber air aliran datar
Kerugian
 Sudu-sudu dari tipe ini tidak rata seperti tipe undershot (lebih
rumit)
 Diperlukan dam pada arus aliran datar
 Efisiensi lebih kecil dari pada tipe overshot

10. Kincir Air Tub
Kincir air Tub merupakan kincir
air yang kincirnya diletakkan
secara horisontal dan sudu-
sudunya miring terhadap garis
vertikal, dan tipe ini dapat
dibuat lebih kecil dari pada tipe
overshot maupun tipe
undershot. Karena arah gaya
dari pancuran air menyamping
maka, energi yang diterima oleh
kincir yaitu energi potensial dan
Gambar Kincir air Breastshot
kinetik.
Sumber. http://osv.org/education/WaterPower

11.  Keuntungan
 Memiliki konstruksi yang lebih ringkas
 Kecepatan putarnya lebih cepat
 Kerugian
 Tidak menghasilkan daya yang besar
 Karena komponennya lebih kecil
membutuhkan tingkat ketelitian yang lebih
teliti

12. Penggunaan Kincir Air
 Mesin penggiling gandum
 Mesin penggiling gandum dengan penggerak kincir air sudah
digunakan sejak abad pertama sebelum masehi, pada jaman
kerajaan Romawi dan walaupun terkesan kuno tapi mesin
penggiling ini masih tetap dipakai sampai sekarang.
 Mesin pemintal benang
 Mesin pemintal benang yang digerakan oleh kincir air ini
pertama kali diperkenalkan oleh dua insinyur Inggris, adalah
Richards Arkwright dan James Hargreaves yang pada tahun
1773. dan mulai dibuat di USA pada tahun 1780-an. Pada

13.  abad ke-19 penggunaan mesin ini sudah digunakan untuk
pembuatan secara massal, jadi orang tidak lagi membuat
pakaiannya sendiri.
Mesin gergaji kayu
 Mesin gergaji kayu dengan penggerak kincir air banyak
ditemukan di New England,USA, pada tahun 1840-an
Mesin tekstil
 Mesin tekstil dengan penggerak kincir air ini digunakan oleh
industri tekstil pada abad ke-19. karena sumber energinya
berupa air, maka pengeluaran untuk produksi dapat
diminimalisir. Tetapi seiring dengan perkembangan teknologi,
lambat laun mesin ini mulai ditinggalkan

14. Turbin air
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).

15. 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.

16. 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.

17. Runtutan Sejarah turbin aliran keluar or kedalam
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.

18. Runtutan SejarahTurbin 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.

19. Turbin prancis

20. Runtutan Sejarah turbin kaplan
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.

21. Turbin kaplan

22. Sebuah Konsep Baru turbin pelton
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.

23. Turbin pelton
Turbin pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri dari
satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang
disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nosel.
Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling
efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk
head tinggi.
gambar sudu pelton
http://en.wikipedia.org/wiki/pelton_wheelhttp://en.wikipedia.org/wiki/pelton_wheel
http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf

25. Teori Pengoperasian

26. 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.

27. 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.

28. 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/s 2)
· 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)

29. 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.

30. Efisiensi
Turbin air modern dioperasikan pada efisiensi mekanis
lebih dari 90% (tidak terpengaruh efisiensi termodinamika).

31. Jenis-Jenis Turbin Air

32. Jenis-Jenis Turbin Air
Turbin reaksi
· Francis
· Kaplan, Propeller, Bulb, Tube, Straflo
· Tyson
· Kincir air
Turbin Impuls
· Pelton
· Turgo
· Michell-Banki (juga dikenal sebagai turbin crossflow atau ossberger).

33. Desain dan Aplikasi

34. 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.

35. Tipe Penggunaan Head
· Kaplan 2<H<40 (H=head dalam meter)
· Francis 10<H<350
· Pelton 50<1300
· Turgo 50<H<250

36. 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.

37. Kecepatan Spesifik
P
ns = n
H 5 / 4 , n = rpm
Ω P/ρ
Ns =
gH 5 / 4 , Ω = kecepatan sudut (radian/detik)
Gambar diadaptasi dari European Community's Layman's
Guidebook (on how to develop a small hydro site)

38. 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.

39. 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.

40. Pemeliharaan

41. 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.

42. Pengaruh Pada lingkungan

43. 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.