Turbin AIR.

Turbin AIR.

Dalam pembangkit listrik tenaga air (PLTA) turbin air merupakan peralatan utama selain generator. Turbin adalah sebuah mesin berputar yang mengambil energi dari aliran fluida. Turbin sederhana memiliki satu bagian yang bergerak, "asembli rotor-blade". Fluida yang bergerak menjadikan baling-baling berputar dan menghasilkan energi untuk menggerakkan rotor. Contoh turbin awal adalah kincir angin dan roda air. Turbin dapat memiliki kepadatan tenaga ("power density") yang luar biasa (berbanding dengan volume dan beratnya), ini karena kemampuan mereka beroperasi pada kecepatan sangat tinggi. Fungsi Turbin sendiri adalah untuk mengubah energi potensial menjadi energi mekanik, gaya jatuh air yang mendorong baling-baling menyebabkan turbin berputar. Turbin air kebanyakan seperti kincir angin, dengan menggantikan fungsi dorong angin untuk memutar baling-baling digantikan air untuk memutar turbin. Perputaran turbin ini di hubungkan ke 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. Berikut adalah Pengelompokkan turbin air :

Tabel 2.1 pengelompokan jenis turbin berdasarkan prinsip kerja turbin
Sumber : : Boyle, Renewable Energy, 2ndedition, Oxford University Press, 2014

1. 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). Akibatnyaroda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran airyang 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.
2. Turbin Reaksi
Turbin reaksi adalah turbin yang cara kerjanya merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi kinetik. Turbin jenis ini adalah turbin yang paling banyak digunakan. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi. Runner turbin reaksisepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin.

2.1.2 Bagian – Bagian  Turbin

Gambar 2.1 Skema pada Turbin
Sumber : (
1. Rotor yaitu bagian yang berputar pada sistem yang terdiri dari :
- Sudu-sudu berfungsi untuk menerima beban pancaran fluida.
- Poros berfungsi untuk meneruskan aliran tenaga yang berupa gerak putar
yang dihasilkan oleh sudu.
- Bantalan berfungsi sebagai perapat komponen-komponen dengan
tujuan agar tidak mengalami kebocoran pada sistem.
2. Stator yaitu bagian yang diam pada sistem yang terdiri dari :
- Pipa pengarah/nozzle berfungsi untuk meneruskan alira fluida sehingga tekanan dan kecepatan alir fluida yang digunakan di dalam sistem besar.
- Rumah turbin berfungsi sebagai rumah kedudukan komponen komponen dari turbin.

2.1.3 Jenis-Jenis Turbin Air
3. Turbin francis

Gambar 2.2 Francis turbine cross section
Sumber : Boyle, Renewable Energy, 2nd edition, Oxford University Press, 2003
Turbin Francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian keluar.  Turbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air masuk secara tangensial.
Turbin francis bekerja dengan memakai proses tekanan lebih. Pada waktu air masuk ke roda jalan, sebagian dari enrgi tinggi jatuh telah bekerja di dalam sudu pengarah diubah sebagai kecepatan air masuk. Sisa energi tinggi jatuh dimanfaatkan dalam sudu jalan, dengan adanya pipa isap memungkinkan energi tinggi jatuh bekerja di sudu jalan dengan semaksimum mungkin. Turbin yang dikelilingi dengan sudu pengarah semuanya terbenam dalam air. Air yang masuk kedalam turbin dialirkan melalui pengisian air dari atas turbin (schact) atau melalui sebuah rumah yang berbentuk spiral (rumah keong). Semua roda jalan selalu bekerja. Daya yang dihasilkan turbin diatur dengan cara mengubah posisi pembukaan sudu pengarah. Pembukaan sudu pengarah dapat dilakuakan dengan tangan atau dengan pengatur dari oli tekan(gobernor tekanan oli), dengan demikian kapasitas air yang masuk ke dalam roda turbin bisa diperbesar atau diperkecil. Pada sisi sebelah luar roda jalan terdapat tekanan kerendahan (kurang dari 1 atmosfir) dan kecepatan aliran yang tinggi. Di dalam pipa isap kecepatan alirannya akan berkurang dan tekanannya akan kembali naik sehingga air bisa dialirkan keluar lewat saluran air di bawah dengan tekanan seperti keadaan sekitarnya.
4. Turbin kaplan propeller

Gambar 2.3 Kaplan turbine cross section
Sumber : (Wikipedia.com)
Turbin Kaplan adalah salah satu turbin reaksi yang dalam penggunaannya lebih memanfaatkan head yang rendah, oleh Prof. Kaplan (Bruun 1876 – 1934) turbin baling-baling dikembangkan sedemikian rupa sehingga sudu jalan turbin tersebut dapat diputar didalam leher poros, dengan demikian sudut sudu dapat diatur sesuai dengan kondisi operasi turbin saat itu. Keuntungan penggunaan turbin kaplan dibandingkan dengan turbin francis adalah pada turbin baling-baling kecepatan putarnya  bisa dipilih lebih tinggi, dengan demikian roda turbin bisa dikopel (dihubungkan) langsung dengan generator dan ukurannya pun lebih kecil.
5. Turbin Pelton
  
Gambar 2.4 turbin Pelton: (a) vertical section;(b) water flow as seen from moving cup; (c) actual motion of water and cup
Sumber : Boyle, Renewable Energy, 2ndedition, Oxford University Press, 2003
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. Dapat digunakan pada head 50 s/d 1300 m.
Energi yang masuk ke roda jalan dalam bentuk energi kinetik. Pada waktu melewati roda turbin, energi kinetik dikonversikan menjadi kerja poros dan sebagian kecil energi terlepas dan sebagian lagi digunakan untuk melawan gesekan dengan permukaan sudu turbin.
 Keuntungan
- Daya yang dihasilkan besar.
- Konstruksi yang sederhana.
- Mudah dalam perawatan.
- Teknologi yang sederhana mudah diterapkan di daerah yang terisolir.
 Kekurangan
Karena aliran air berasal dari atas maka biasanya reservoir air atau bendungan air, sehingga memerlukan investasi yang lebih  banyak.

6. Turbin turgo
 
Gambar 2.5 Turgo turbine: (a) runner;(b) water flow
Sumber : Boyle, Renewable Energy, 2nd edition, Oxford University Press, 2003
Turbin turgo Dapat beroperasi pada head 50 s/d 250 m. Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda keuntungan kerugian juga sama.
7. Turbin crossflow
 
Gambar 2.6 Turbin crossflow
Turbin Cross-Flow adalah salah satu turbin air dari jenis turbin aksi  (impulse turbine). Pemakaian jenis Turbin Cross-Flow lebih menguntungkan dibanding dengan pengunaan kincir air maupun jenis turbin mikro hidro lainnya. Penggunaan turbin ini untuk daya yang sama dapat menghemat biaya pembuatan penggerak mula sampai 50 % dari penggunaan kincir air dengan bahan yang sama. Penghematan ini dapat dicapai karena ukuran Turbin Cross-Flow lebih kecil dan lebih kompak dibanding kincir air.
2.2 Pengaturan turbin air
Daya turbin ditentukan dengan besaran V dan H dan dari kedua besaran tersebut hanya kapasitas  V lah yang paling banyak berubah.
1. Turbin Pelton
Untuk turbin pelton dengan daya kecil bisa diatur dengan hanya menggeser kedudukan jarum sudu, sedangkan untuk instalasi turbin Pelton yang besar harus menggunakan dua buah sistem pengaturan, maksudnya adalah untuk menghindari adanya tekanan tumbukan yang besar didalam pipa saluran (pipa pesat) yang timbul akibat penutupan nosel dengan tiba-tiba. Tekanan statis dari tinggi air jatuh menghasilkan tekanan dinamis yang bekerja dialairan air berupa energi kecepatan, apabila aliran air ini sekonyong-konyong dihentikan maka energi kecepatan ini berubah menjadi energi tumbukan. Untuk menghindari energi tumbukan ini, kerjanya jarum nosel dibantu dengan suatu perlengkapan yang disebut dengan pembelok pancaran. Pada saat beban turbin berkurang secara tiba-tiba pembelokan pancaran akan berbelok ke muka jarum nosel lebih dahulu, sehingga arah pancaran air kesudu jalan akan berbelok. Kemudian jarum nosel akan bergeser memperkecil penampang keluar nosel. Pembelok pancaran akan tetap berada dipinggir pancaran air. Selanjutnya nosel rem yang sudah dipersiapkan memancarkan air kearah belakang ember sudu, untuk memperlambat putaran turbin sampai didalam batas yang dizinkan bila arus listrik dari generatur diputus.
2. Turbin Francis
Aliran air yang masuk kedalam roda jalan turbin Francis semuanya melalui sudu pengarah yang berada disekeliling turbin. Alat pengarah Frinksche terdiri dari sudu pengarah yang bisa digerakkan membuka dan menutup dengan memakai pertolongan cincin pengatur yang digerkkan regulator melalui tuas penggerak. Dengan menggunakan alat ini selain kapasitas air juga arah arus air (α1) yang masuk kedalam roda jalan bisa diubah. Pada instalasi turbin yang besar sistim pengaturan tersebut diatas dilengkapi dengan katup pelepas, melalui saluran ini sebagian dari kapasitas air dengan cepat bisa dibelokkan untuk dibuang dengan melewati saluran pembuangan, maksud dari sistem ini adalah untuk menghindari kenaikan tekanan didalam pipa saluran (pipa pesat) dan menghindari kenaikan kecepatan putarturbin, apabila beban turbin turun secara tiba-tiba.
3. Turbin Kaplan
Turbin kaplan mempunyai pengaturan ganda, dimana pada waktu yang sama posisi sudu pengarah dengan alat pengarah Finkschen dan pemutaran sudut sudu jalan melalui sistem hidrolik yang dilaksanakan menggunakan motor pengatur.
Fungsi cakera melengkung adalah untuk adalah untuk membuat supaya pengaturan sudu pengarah dan roda jalan saling berhubungan. Bentuk kelengkungan cakera harus sedemikian rupa sehingga untuk setiap besaran volume air yang masuk kedalam turbin dan setiap posisi pemutaran kipas sudu jalan, bisa menghasilkan suatu randemen turbin yang harganya maksimum. Pada instalasi turbin yang besar bila mengalami perubahan tinggi air jatuh dalam jangka waktu yang lama, maka untuk turbin tersebut dibuatkan cakera yang lain, yang lebih sesuai dengan keadaan turbin waktu itu.