Penjelasan Lengkap Tentang Karakteristik Turbin Air Cross Flow untuk PLTMH

Ada banyak tipe turbin yang dipakai untuk tenaga penggerak generator pada pembangunan PLTMH (Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro). Ternyata Pemakaian jenis Turbin Cross-Flow lebih menguntungkan dibanding dengan pengunaan kincir air maupun jenis turbin mikro hidro lainnya...

Berikut alasannya :

 I. KLASIFIKASI TURBIN AIR

Dengan kemajuan ilmu Mekanika fluida dan Hidrolika serta memperhatikan sumber energi air yang cukup banyak tersedia di pedesaan akhirnya timbullah perencanaan-perencanaan turbin yang divariasikan terhadap tinggi jatuh ( head ) dan debit air yang tersedia. Dari itu maka masalah turbin air menjadi masalah yang menarik dan menjadi objek penelitian untuk mencari sistim, bentuk dan ukuran yang tepat dalam usaha mendapatkan effisiensi turbin yang maksimum.

Pada uraian berikut akan dijelaskan pengklasifikasian turbin air berdasarkan beberapa kriteria.

1.1. Berdasarkan Model Aliran Air Masuk Runner.

Berdasaran model aliran air masuk runner, maka turbin air dapat dibagi menjadi tiga tipe yaitu

1. Turbin Aliran Tangensial
Pada kelompok turbin ini posisi air masuk runner dengan arah tangensial atau tegak lurus dengan poros runner mengakibatkan runner berputar, contohnya Turbin Pelton dan Turbin Cross-Flow.

2. Turbin Aliran Aksial
Pada turbin ini air masuk runner dan keluar runner sejajar dengan poros runner, Turbin Kaplan atau Propeller adalah salah satu contoh dari tipe turbin ini.

3. Turbin Aliran Aksial - Radial
Pada turbin ini air masuk ke dalam runner secara radial dan keluar runner secara aksial sejajar dengan poros. Turbin Francis adalah termasuk dari jenis turbin ini.

1.2. Berdasarkan Perubahan Momentum Fluida Kerjanya.

Dalam hal ini turbin air dapat dibagi atas dua tipe yaitu :

1. Turbin Impuls.
Semua energi potensial air pada turbin ini dirubah menjadi menjadi energi kinetis sebelum air masuk/ menyentuh sudu-sudu runner oleh alat pengubah yang disebut nozel. Yang termasuk jenis turbin ini antara lain : Turbin Pelton dan Turbin Cross-Flow.
2. Turbin Reaksi.
Pada turbin reaksi, seluruh energi potensial dari air dirubah menjadi energi kinetis pada saat air melewati lengkungan sudu-sudu pengarah, dengan demikian putaran runner disebabkan oleh perubahan momentum oleh air. Yang termasuk jenis turbin reaksi diantaranya : Turbin Francis, Turbin Kaplan dan Turbin Propeller.

1.3. Berdasarkan Kecepatan Spesifik (ns)

Yang dimaksud dengan kecepatan spesifik dari suatu turbin ialah kecepatan putaran runner yang dapat dihasilkan daya effektif 1 BHP untuk setiap tinggi jatuh 1 meter atau dengan rumus dapat ditulis ( Lal, Jagdish, 1975 ) :

ns  =   n .  Ne 1/2 / Hefs5/4

Dimana :

ns = kecepatan spesifik turbin
n = Kecepatan putaran turbin ....... rpm
H_efs = tinggi jatuh effektif ...... m
Ne = daya turbin effektif ...... HP

Setiap turbin air memiliki nilai kecepatan spesifik masing-masing, tabel 1. menjelaskan batasan kecepatan spesifik untuk beberapa turbin kovensional ( Lal, Jagdish, 1975 )

1.4. Berdasarkan Head dan Debit.

Dalam hal ini pengoperasian turbin air disesuaikan dengan potensi head dan debit yang ada yaitu :

1. Head yang rendah yaitu dibawah 40 meter tetapi debit air yang besar, maka Turbin Kaplan atau propeller cocok digunakan untuk kondisi seperti ini.
2. Head yang sedang antara 30 sampai 200 meter dan debit relatif cukup, maka untuk kondisi seperti ini gunakanlah Turbin Francis atau Cross-Flow.
3. Head yang tinggi yakni di atas 200 meter dan debit sedang, maka gunakanlah turbin impuls jenis Pelton.

Gambar 7. menjelaskan bentuk kontruksi empat macam runner turbin konvensional.

Turbin Cross-Flow memiliki karakteristik yang spesifik dibanding jenis penggerak turbin lainnya diantaranya ialah :

2.1. Keunggulan Turbin Cross-Flow

Turbin Cross-Flow adalah salah satu turbin air dari jenis turbin aksi  (impulse turbine). Prinsip kerja turbin ini mula-mula ditemukan oleh seorang insinyur Australia yang bernama A.G.M. Michell pada tahun 1903. Kemudian turbin ini dikembangkan dan dipatenkan di Jerman Barat oleh Prof. Donat Banki sehingga turbin ini diberi nama Turbin Banki kadang disebut juga Turbin Michell-Ossberger (Haimerl, L.A., 1960).

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 :

•  Hemat Biaya : 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. Diameter kincir air yakni roda jalan atau runnernya biasanya 2 meter ke atas, tetapi diameter Turbin Cross-Flow dapat dibuat hanya 20 cm saja sehingga bahan-bahan yang dibutuhkan jauh lebih sedikit, itulah sebabnya bisa lebih murah.

• Effesiensi : Demikian juga daya guna atau effisiensi rata-rata turbin ini lebih tinggi dari pada daya guna kincir air. Hasil pengujian laboratorium yang dilakukan oleh pabrik turbin Ossberger Jerman Barat yang menyimpulkan bahwa daya guna kincir air dari jenis yang paling unggul sekalipun hanya mencapai 70 % sedang effisiensi turbin Cross-Flow  mencapai 82 % ( Haimerl, L.A., 1960 ).  Tingginya effisiensi Turbin Cross-Flow ini akibat pemanfaatan energi air pada turbin ini dilakukan dua kali, yang pertama energi tumbukan air pada sudu-sudu pada saat air mulai masuk, dan yang kedua adalah daya dorong air pada sudu-sudu  saat air akan meninggalkan runner. Adanya kerja air yang bertingkat ini ternyata memberikan keuntungan dalam hal effektifitasnya yang tinggi dan kesederhanaan pada sistim pengeluaran air dari runner.

Kurva di bawah ini akan lebih menjelaskan tentang perbandingan effisiensi dari beberapa turbin konvensional.

Dari kurva tersebut ditunjukan hubungan antara effisiensi dengan pengurangan debit akibat pengaturan pembukaan katup yang dinyatakan dalam perbandingan debit terhadap debit maksimumnya.Untuk Turbin Cross Flow dengan Q/Qmak = 1 menunjukan effisiensi yang cukup tinggi sekitar 80%, disamping itu untuk perubahan debit sampai dengan Q/Qmak = 0,2 menunjukan harga effisiensi yang relatif tetap ( Meier, Ueli,1981).

Dari kesederhanaannya jika dibandingkan dengan jenis turbin lain, maka Turbin Cross-Flow yang paling sederhana. Sudu-sudu Turbin Pelton misalnya, bentuknya sangat pelik sehigga pembuatannya harus dituang. Demikian juga runner Turbin Francis, Kaplan dan Propeller pembuatannya harus melalui proses pengecoran/tuang.

Tetapi runner Turbin Cross Flow dapat dibuat dari material baja sedang (mild steel) seperti ST.37, dibentuk dingin kemudian dirakit dengan konstruksi las. Demikian juga komponen-komponen lainnya dari turbin ini semuanya dapat dibuat di bengkel-bengkel umum dengan peralatan pokok mesin las listrik, mesin bor, mesin gerinda meja, bubut dan peralatan kerja bangku, itu sudah cukup.

Dari kesederhanaannya itulah maka Turbin Cross-Flow dapat dikelompokan sebagai teknologi tepat guna yang pengembangannya di masyarakat pedesaan memiliki prospek cerah karena pengaruh keunggulannya sesuai dengan kemampuan dan harapan masyarakat.

Dari beberapa kelebihan Turbin Cross-Flow itulah, maka sampai saat ini pemakaiannya di beberapa negara lain terutama di Jerman Barat sudah tersebar luas, bahkan yang dibuat oleh pabrik Turbin Ossberger sudah mencapai 5.000 unit lebih, sebagaimana diungkapkan oleh Prof. Haimerl (1960) dalam suatu artikelnya sebagai berikut :

"Today, numerous turbines throughout the world are operating on the Cross-flow principle, and most of these (more than 5.000 so far) have been built by Ossberger"

Selanjutnya Prof. Haimerl (1960) menyatakan pula bahwa setiap unit dari turbin ini dapat dibuat sampai kekuatan kurang lebih 750 KW, dapat dipasang pada ketinggian jatuh antara 01 sampai 200 meter dengan debit air sampai 3.000 liter/detik. Cocok digunakan untuk PLTMH, penggerak instalasi pompa, mesin pertanian, workshop, bengkel dan lain sebagainya.

Turbin Cross-Flow secara umum dapat dibagi dalam dua tipe ( Meier, Ueli, 1981 ) yaitu :

1. Tipe T1, yaitu Turbin Cross-Flow kecepatan rendah .
2. Tipe T3, yaitu Turbin Cross-Flow kecepatan tinggi.

Kedua tipe turbin tersebut lebih dijelaskan oleh gambar berikut:

2.2. Cara Mengoperasikan Turbin Cross-Flow

Cara mengoperasikan Turbin Cross-Flow, pertama kali buka pintu utama di sekitar bendungan agar air dapat mengalir melalui kanal ke bak penenang. Setelah permukaan air di kolam penampung naik setinggi 1,5 meter di atas mulut pipa pesat hingga sebagian air ada yang terbuang melimpah melalui saluran limpah, maka pada saat itu pula pintu di mulut pipa pesat dibuka hingga pipa pesat penuh terisi namun pada saat itu air tak dapat masuk turbin sebab katup di bawah di dalam posisi menutup penuh.

Selanjutnya sekarang kegiatan pengoperasian berlangsung di rumah pembangkit. Bukalah katup secara berkala dengan perantaraan regulator tangan sampai air dapat keluar dari nozel dan akhirnya memutarkan runner. Setelah runner berputar normal, lepaskan pasak penghubung katup – regulator, proses pengaturan katup ini selanjutnya dilakukan oleh governor mekanis. Selama pengoperasian awal ini, generator jangan dahulu dihubungkan dengan beban, namun setelah governor bekerja secara normal baru generator dihubungkan dengan beban. Untuk selanjutnya, penyesuaian pemakaian beban dengan pembukaan katup bekerja secara otomatis yang dilakukan oleh governor.

2.3. Regulator

Komponen-komponen regulator antara lain : (1) roda tangan, (2) poros berulir, (3) bantalan berulir, (4) engsel, (5) bantalan pengantar dan (6) tuas perantara , untuk lebih jelasnya dapat dilihat gambar 8.

2.4. Governor.

Untuk mengatur jumlah debit air yang masuk ke runner seimbang dengan jumlah pemakaian beban lisrik, maka digunakan sebuah alat yang disebut governor. Governor yang digunakan untuk turbin ini adalah governor mekanis sebagaimana yang dijelaskan gambar 9.

Pemilihan governor mekanis dengan pertimbangan dapat dibuat di bengkel- bengkel umum dengan biaya yang relatif terjangkau dibanding dengan governor elektrik. Disamping itu, governor mekanis sangat cocok dipasang pada sistim PLTMH yang sederhana. Sedangkan kepekaan dan kesensitifan kerja governor ini dapat diandalkan dan bisa bersaing dengan jenis governor lain. Komponen-komponen governor tersebut antara lain,

1. Puli pada poros runner
2. Puli pada poros perantara
3. Belt transmisi, ketiga elemen ini merupakan komponen sistim transmisi daya dan putaran dari poros runner ke poros governor.
4. Roda gigi payung pada poros perantara.
5. Roda gigi payung poros governor, berfungsi meneruskan transmisi daya dan putaran dari poros perantara.
6. Poros governor, berfungsi sebagai rel tempat naik turunnya bantalan jalan, pada poros ini pula bantalan diam bertumpu.
7. Bantalan jalan, berfungsi sebagai pengait dan pembawa tuas-tuas yang berhubungan dengan katup.
8. Tuas-tuas, berfungsi sebagai penghubung gerak langkah bantalan jalan ke posisi katup.
9. Lengan-lengan governor, berfungsi sebagai penerus gerak langkah bantalan jalan dan sebagai penentu posisi bandul.
10. Bandul, berfungsi untuk menstabilkan putaran dan untuk mendapat jarak langkah yang diinginkan, hal ini sangat berhubungan dengan gaya sentripugal yang terjadi.
11. Pegas, berfungsi memberikan gaya reaksi terhadap bantalan jalan sehingga timbul keseimbangan aksi – reaksi yang menjadikan sistim beroperasi secara otomatis mekanis.
12. Bantalan diam, berfungsi untuk menumpu ujung poros governor pada posisi yang tetap sehingga governor dapat bekerja stabil.

 

III. MERAKIT TURBIN CROSS-FLOW

Yang termasuk komponen penggerak mula turbin ialah nozel, katup, runner, poros runner, tutup turbin dan rangka pondasi. Berikut ini akan dijelaskan proses pembuatan dan perakitan komponen- komponen penggerak mula tersebut.

3.1. Runner

3.2. Katup

3.3. Nozel

3.4. Tutup Turbin

IV. MELUKIS BUSUR SUDU DENGAN ANALISA SEGITIGA KECEPATAN

4.1.Variabel Analisa Segi Tiga Kecepatan

Variabel - variabel awal yang dibutuhkan dalam analisa segi tiga kecepatan antara lain:

1. Kecepatan air masuk runner (Vr )
Dalam hal ini kecepatan air masuk runner sama dengan kecepatan air keluar dari nozel (Vn ) yaitu, Vr = Vn Vr = Kn . ( 2 . g . H_efs )^1/2 Diketahui, Kn = koefisien tahanan nozel = 0,96 ( Sutarno, 1973 ) g = percepatan gravitasi bumi = 9,81 m/det2 Hefs = head efektif sebenarnya
2. Kecepatan keliling diameter luar runner ( Uo )
Dalam hal ini harga Uo dapat ditentukan dari persamaan berikut ( Sutarno, 1973 ), Uo = 0,5 . Vr Hasil percobaan para ahli Turbin Cross Flow, mereka menyimpulkan bahwa dengan menentukan harga Uo = 0,5 . Vr ternyata didapatkan effisiensi turbin yang paling besar, kebenaran tentang kesimpulan ini akan diuji pada uraian nanti dengan memasukan macam-macam nilai perbandingan Uo/ Vr ke dalam analisa segitiga kecepatan seperti yang dimaksud, dengan demikian maka,
3. Kecepatan Keliling Diameter Dalam Runner ( Ui )
Dalam hal ini nilai Ui dapat ditentukan dari perbandingan diameter dalam dan luar runner yaitu, Ui = ( Di / Do ) . Uo
4. Diameter luar runner ( Do )
5. Diameter dalam runner ( Di )
6. Sudut air masuk sudu ( θ )

Hasil pengujian Pabrik Turbin Ossberger Jerman Barat, untuk mendapatkan effisiensi turbin yang tertinggi direkomendasikan besar sudut air masuk sudu θ = 150. Hal ini disebabkan energi kecepatan air masuk sudu runner lebih banyak termanfaatkan terbukti dari hasil perbandingan kecepatan air keluar dari runner dengan kecepatan air masuk runner jauh lebih kecil dibanding dengan apabila sudut air masuk sudu lebih besar atau lebih kecil dari 150 ( Haimerl, 1960 ). Kebenaran tentang kesimpulan ini akan dibuktikan pada pembahasan nanti dengan memvariabelkan sudut θ. Dalam perencanaan turbin seperti yang diuraikan pada bab sebelumnya, penulis memilih harga sudut θ = 150.

Selanjutnya dengan data-data di atas dapat ditentukan model busur sudu sekaligus dapat diketahui berapa persen energi kecepatan air yang dimanfaatkan oleh runner. Untuk memudahkan analisa, nilai-nilai dari variabel di atas diskalakan .

Setelah semua data diskalakan, selanjutnya masukan ke dalam analisa segi tiga kecepatan berikut melalui dua tahap penggambaran yaitu,

• Tahap 1, Air masuk runner
Vr = kecepatan air masuk sudu rim luar Uo = kecepatan keliling diameter luar runner Ui = kecepatan keliling diameter dalam runner Vf = kwecepatan relatif air masuk sudu rim luar Vfi = kecepatan relatif air kelur sudu rim dalam Vi = kecepatan air keluar sudu rim dalam

• Tahap 2, Air keluar runner.
Vo = kecepatan air masuk sudu rim dalam Vfo = kecvepatan relatif air masuk sudu rim dalam Vr' = kecepatan air keluar sudu rim luar Vf ' = kecepatan relatif air keluar sudu rim luar

4.2. Perbandingan Effisiensi Dengan Analisa Segi Tiga Kecepatan.

Busur A-B inilah yang dijadikan mal untuk menentukan kelengkungan dan posisi sudu-sudu yang dipasang diantara dua buah piringan. Hal ini tidak begitu sulit dipraktekan di lapangan yang lebih diutamakan ialah ketelitian dan keuletan dalam bekerja. Titik B seperti pada gambar di atas merupakan titik ujung dari busur sudu A-B. Pada saat runner berputar ke kiri, titik B akan mengalami perpindahan relatif sejauh B-B' dan waktu yang diperlukan untuk perpindahan relatif dari B ke B' sama dengan waktu yang diperlukan oleh suatu titik air guna menempuh busur dari titik A ke titik B dengan kecepatan relatif.

DAFTAR PUSTAKA

1. Bachtiar, Asep Neris. (1988). Perencanaan Turbin Air Penggerak Generator Listrik Pedesaan. Tugas Akhir
2. Haimerl, L.A.(1960). The Cross Flow Turbine. Jerman Barat
3. Lal, Jagdish. (1975). Hydraulic Machine. New Delhi : Metropolitan Book Co Private Ltd
4. Sutarno. (1973). Sistim Listrik Mikro Hidro Untuk Kelistrikan Desa. Yogyakarta : UGM Yogyakarta
5. My Little Notes