TURBIN AIR

1
TURBIN AIR
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
• JenisJenis 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.

9
Teori Pengoperasian
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 ? ? ? ? g ? h ? i
• Dimana
•   P Daya (J/s or watts)
• ? efisiensi turbin
• ? 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).

16
Jenis-Jenis Turbin Air
17
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).

18
Desain dan Aplikasi
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 2ltHlt40 (Hhead dalam meter)
• Francis 10ltHlt350
• Pelton 50lt1300
• Turgo 50ltHlt250

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
• , O kecepatan sudut (radian/detik)

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.

25
Pemeliharaan
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.

27
Pengaruh Pada lingkungan
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.

29
TIM PENYUSUN

• Galih Permadi Siwi (035214037)
• Indrawan Taufik (03524055)
• Ari Suryanto (035214061)