Buku Panduan (versi 1)

APLIKASI DAN KARAKTERISTIK TURBIN

DAFTAR ISI

Buku Panduan (versi 1).................................................................................. 1

APLIKASI DAN KARAKTERISTIK TURBIN....................................................... 1

DAFTAR ISI................................................................................................................ 2

1     Tipe TURBIN....................................................................................................... 4

1.1.     KINCIR AIR__________________________________________________ 4

1.2.     turbin_______________________________________________________ 8

1.2.1.     Umum_____________________________________________ 8

1.2.2.     Tipe Turbin_________________________________________ 9

1.3.     BATAS APLIKASI UNTUK TIPE TURBIN YANG BERBEDA________ 17

1.3.1.     Turbin cross flow____________________________________ 18

1.3.2.     Turbin Pelton______________________________________ 19

1.3.3.     Turbin propeller open flume___________________________ 20

1.3.4.     Pompa yang digunakan sebagai turbin (PAT)_____________ 21

2     pemilihan turbin............................................................................................... 23

2.1.     PENGARUH DARI LAYOUT TURBIN TERHADAP PEMBANGKIT___ 23

2.2.     DATA AWAL DALAM PEMILIHAN TURBIN______________________ 23

3     TATA LETAK TURBIN DI LOKASI MHP.................................................... 27

3.1.     UMUM_____________________________________________________ 27

3.2.     DASAR PENGATURAN TURBIN YANG DIHUBUNGKAN LANGSUNG 27

3.3.     TURBIN YANG DIHUBUNGKAN SECARA TIDAK LANGSUNG_____ 32

4     KESEIMBANGAN ENERGI UNTUK LOKASI MHP.................................. 38

4.1.     PERSAMAAN BERNOULLI: KESEIMBANGAN ENERGI DAN ALIRAN ENERGI     38

4.2.     PRESENTASI GRAFIS DARI KESEIMBANGAN ENERGI___________ 41

4.3.     ALIRAN ENERGI DAN EFISIENSI______________________________ 41

5     PRINSIP KERJA TURBIN.............................................................................. 49

5.1.     DIAGRAM-DIAGRAM VEKTOR KECEPATAN____________________ 49

5.2.     PERSAMAAN EULER UNTUK PERPINDAHAN ENERGI___________ 50

6     KARAKTERISTIK TURBIN............................................................................ 52

6.1.     UMUM_____________________________________________________ 52

6.2.     HUKUM GAYA GABUNG (AFINITAS)___________________________ 53

Gbr. 39: Turbin yang beroperasi pada dua head yang berbeda................ 53

6.3.     KONSEP DARI UNIT MESIN___________________________________ 55

6.3.1.     Umum____________________________________________ 55

6.3.2.     NILAI-NILAI UNIT:___________________________________ 56

6.3.3.     Kecepatan spesifik__________________________________ 58

6.3.4.     Hill Charts_________________________________________ 63

6.4.     TURBIN CROSS FLOW_______________________________________ 68

6.4.1.     Definisi: Turbin Cross Flow:___________________________ 68

6.4.2.     NILAI-NILAI UNIT:___________________________________ 68

6.4.3.     Hill chart__________________________________________ 69

6.4.4.     diagram kecepatan__________________________________ 69

6.5.     TURBIN PELTON____________________________________________ 74

6.5.1.     Teori dasar turbin Pelton______________________________ 74

6.5.2.     Pengukuran_______________________________________ 80

6.5.3.     Karakteristik nozzle:_________________________________ 82

6.5.4.     Contoh-contoh dan petunjuk disain_____________________ 85

Gbr. A57: Petunjuk nozzle di dalam pipa.......................................................... 86

Gbr. A58: Nozzle tanpa petunjuk di dalam pipa.............................................. 86

1    Tipe TURBIN

1.1.      KINCIR AIR

Kincir air banyak digunakan sejak ribuan tahun yang lalu. Seluruh penjuru dunia masih menggunakan kincir air untuk penggilingan atau menggerakkan generator kecil. Terdapat tiga tipe disain kincir air yang dikenal. 

Dalam konstruksi mesin yang klasik, kincir air ditandai oleh poros horizontal. Pada dasarnya kita dapat membedakan kincir air menjadi 3 tipe.

	Kincir air tipe undershot Tipe ini adalah yang tertua. Vitruv membuat tipe kincir air ini pada abad pertama sebelum masehi. Kincir air ini dapat digunakan di sungai dengan aliran yang cepat. Efisiensinya sekitar 25%. Pada abad ke-19, tipe kincir ini menjadi lebih berkembang. Terutama yang didisain oleh Poncelet yang mencapai efisiensi sebesar 70%.
	Kincir air tipe overshot Kincir air tipe overshot sudah digunakan sejak abad ke-14. Jika kincir ini dibuat dengan baik dan ketinggian reservoir air bagian atas memperbolehkan diameter kincir yang besar, efisiensinya mencapai 75% atau bahkan kadang-kadang mencapai 80%.
	Kincir ini adalah tipe kincir yang paling terbaru, yang dikembangkan pada abad ke-16. Kincir ini adalah gabungan antara dua buah konstruksi dasar. Versi terdahulunya dapat mencapai efisiensi sebesar 45%, tipe-tipe modern dapat mencapai efisiensi sebesar 75%.

Gbr. 1: Tipe-tipe kincir air

 

Gbr. 2: Kincir air tipe overshot

Gbr. 3: Kincir air tipe undershot tradisional untuk irigasi di Sumatera

Gbr. 4: Kincir air tradisional untuk produksi listrik di Sumatera

Gbr. 5: Kincir air tipe overshot yang telah direnovasi dengan efisiensi tinggi

Gbr. 6: Contoh penggilingan tradisional di Tibet

1.2.      turbin

1.2.1.           Umum

                       

Untuk memanfaatkan potensi sungai dari sumbernya sampai ke ujungnya memerlukan tipe turbin yang berbeda untuk setiap level sungai karena head dan debitnya yang berubah-ubah.

Gbr. 7: MHP sepanjang sungai (Potongan sungai Rhein, Jerman)

Pertanyaan-pertanyaan muncul ketika melihat interkoneksi antara turbin dan MHP yang dengan jelas menunjukkan kebutuhan spesifikasi turbin yang benar. Rincian berikut ini harus diketahui untuk penentuan layout pembangkit.

·      tipe turbin yang tersedia

·      peralatan untuk pemilihan tipe turbin yang sesuai

·      efisiensi turbin pada saat debit puncak dan debit sebagian

·      dimensi runner dan turbin

·      kecepatan turbin

·      kinerja turbin pada saat kondisi beban sebagian, beban berlebih dan runaway

1.2.2.           Tipe Turbin

Terdapat disain turbin yang berbeda-beda yang tersedia di pasaran. Untuk instalasi MHP biasanya digunakan lima disain dasar yang berbeda.

Turbin Impuls:

(Hanya energi kinetik, yang berarti impuls dari pancaran air, dikonversikan di runner)

            Turbin Pelton

            Turbin Turgo

            Turbin Cross flow

Gbr. 8: Turbin Impuls

Turbin Reaksi

 (energi kinetik dan tekanan dikonversi di runner)

            Turbin Francis (rumah spiral, saluran terbuka/open flume)

            Turbin Deriaz (turbin diagonal - jarang digunakan)

            Turbin Kaplan (turbin tubular, turbin tipe S, open flume, rumah spiral)

Gbr. 9: Turbin Reaksi

Terdapat banyak alasan teknis untuk variasi disain yang seperti ini:

·      material yang tersedia (kekuatan untuk menahan tekanan, erosi akibat kavitasi, aus)

·      kavitasi (diperlukan ketinggian pembangkit dari permukaan laut/altitude)

·      dimensi dan kecepatan turbin (kincir air yang efisien dengan diameter 8 m dapat digantikan dengan turbin cross flow dengan diameter 0.5 m)

·      kapasitas pabrikasi

Gbr. 10: Contoh turbin Cross flow

Gbr. 11: Contoh turbin Pelton

Gbr. 1 : Contoh turbin Impuls Turbo

Gbr. 2 : Contoh turbin Francis rumah spiral

Gbr. 3 : Contoh Francis open flume

Gbr. 4 : Contoh turbin Kaplan open flume

Gbr. 5 : Contoh turbin Kaplan spiral housing

Gbr. 6 : Contoh turbin Propeller tubular

1.3.      BATAS APLIKASI UNTUK TIPE TURBIN YANG BERBEDA

Setiap turbin memiliki aplikasi dengan batas spesifiknya masing-masing. Adalah mungkin, bahwa tipe turbin yang berbeda tersebut layak untuk sebuah pembangkit. Penawaran dari pabrikan yang berbeda harus dibandingkan dahulu. Dalam banyak kasus, pertimbangan ekonomi cukup menentukan dalam pemilihan turbin. Penentuannya tidak selalu jelas dan mudah dan memerlukan pengetahuan mengenai karakteristik spesifik turbin.

Terdapat sumber-sumber diagram dan rekomendasi aplikasi yang berbeda untuk memilih tipe turbin yang sesuai. Pabrikan turbin besar dan kecil menyajikan program pabrikasi turbin mereka pada diagram pemilihan. Lebih banyak tentang diagram pemilihan spesifik turbin akan diberikan di bab “Kecepatan Spesifik”.

Gbr. 7 : Aplikasi untuk batasan umum dari tipe-tipe turbin air yang berbeda

(Sumber: MHPG Publication Volume 11)

CONTOH :

Tinggi jatuh air/Head perkiraan awal (H_r) = 40 m

Debit perkiraan awal (Q_r) = 250 l/dtk

Dimungkinkan untuk menggunakan turbin cross flow komersial dan lokal, juga turbin Pelton (Turgo) atau turbin Francis.

Untuk aplikasi dengan output kurang dari 100 kW terdapat empat macam turbin berbiaya rendah yang biasanya digunakan dan diproduksi di Indonesia:

1.3.1.           Turbin cross flow

Turbin ini mudah untuk dipabrikasi dan ditawarkan oleh banyak pabrikan (misalnya Ossberger dan Volk di Jerman). SKAT dan BYS (Nepal) mengembangkan disain berbiaya rendah dan mempublikasikannya (MHPG Publication Volume 3 dan 4) sekitar tahun 1980. Beberapa turbin telah dibuat di Nepal dan di Indonesia. Pada tahun 1990 disain turbin yang disempurnakan dan lebih efisien yaitu Model T14/T15 dikembangkan dan sekarang digunakan.

Gbr. 8 : Batas aplikasi Turbin Cross Flow T15 dengan diameter 300 (sumber: ENTEC)

CONTOH:

Head perkiraan awal (H_r) = 31 m

Debit perkiraan awal (Q_r) = 497 l/dtk

Output P = 105 kW

Kecepatan putaran (n) = 750 1/min

Turbin ini dapat dihubungkan secara langsung ke generator sinkron dengan 8 kutub (n = 750 1/min)

1.3.2.            Turbin Pelton

Permasalahan dalam produksi turbin Pelton adalah bentuk runner yang kompleks. Rumah turbin dan nozzlenya mudah untuk dipabrikasi.

Buku Panduan SKAT/MHPG Vol. 9 menjelaskan disain turbin Pelton kecil yang menggunakan bucket standard hasil pabrikasi. Gbr. 20 menunjukkan batasan aplikasi untuk turbin Pelton mikro tersebut hingga 50 kW.

Gbr. 9 : Batasan aplikasi dari turbin Pelton mikro (Sumber: Buku panduan SKAT/MHPG Vol. 9)

CONTOH:

Hr = 96 m

Qr = 20 l/s

Output pada efisiensi 60%   P = 10 kW

1.3.3.           Turbin propeller open flume

Pengembangan turbin terbaru untuk head rendah di Indonesia telah dimungkinkan untuk memproduksi turbin propeller open flume untuk head rendah (di bawah 6 - 7 m)

Gbr. 10 : Turbin propeller open flume di Indonesia tahun 2006

Head (m)	D= 125 mm	D= 200 mm	D= 300 mm	D= 430 mm
2 m	26 l/s 290 W	67 l/s 700 W	150 l/s 1680 W	300 l/s 3400 W
3 m	36 l/s 600 W	92 l/s   1500 W	207 l/s 3450 W	425 l/s 7150 W
4 m	45 l/s 1000 W	117 l/s   2600 W	260 l/s 5850 W	535 l/s 12000 W
5 m		140 l/s   3850 W	310 l/s 8700 W	640 l/s 17500 W
6 m		160 l/s   5400 W	360 l/s 1200 W	740 l/s 24500 W

Gbr. 11 : Batasan aplikasi turbin propeller open flume di Indonesia tahun 2006

1.3.4.            Pompa yang digunakan sebagai turbin (PAT)

Pompa dapat dioperasikan seperti turbin dengan efisiensi yang bagus jika tidak diperlukan adanya peraturan mengenai debit. Buku Panduan MHPG Volume 11 menjelaskan teknologi ini dan pemilihan pompa yang sesuai. Gambar di bawah ini menampilkan batasan aplikasi dari tipe pompa berbeda yang digunakan sebagai turbin.

Kekurangan dari solusi berbiaya rendah ini adalah bahwa debit tidak dapat diatur dan tidak mungkin beroperasi dengan beban sebagian misalnya pada saat musim kemarau (Lihat MHPG series Vol. 11 Pumps as turbines).

Gbr. 12 : Batasan umum dari aplikasi pompa yang digunakan sebagai turbin sumber MHPG Publication Volume 11)

CONTOH:

Hr = 40 m

Qr = 50 l/s

Pompa dengan aliran radial tahap tunggal dapat dijadikan solusi. Metode pemilihannya berdasarkan pada spesifikasi pompa dari supplier seperti diuraikan dalam Manual MHP “PAT: Pumps as Turbines (Pompa sebagai Turbin)” pada dasarnya faktor head dan debit menentukan dalam pemilihan pompa yang sesuai dari katalog pabrikan.

2    pemilihan turbin

2.1.      PENGARUH DARI LAYOUT TURBIN TERHADAP PEMBANGKIT

Gbr. 24 menjelaskan parameter-parameter utama MHP yang dipengaruhi oleh layout turbin.

Gbr. 13 : Pengaruh layout turbin terhadap pembangkit MHP

2.2.      DATA AWAL DALAM PEMILIHAN TURBIN

Data-data penting yang diperlukan untuk penentuan tipe turbin adalah:

Rated (or nominal/ net) head                    H_n        =          70        m

Rated (or nominal/ design) flow                Qn       =          0.120  m³/s

Sebagai tambahan, mungkin disebutkan, kecepatan operasional turbin

Rated (or nominal) speed                          nn        =          1500   1/min

Hal-hal di atas merupakan informasi dasar untuk membicarakannya dengan pabrikan, jika dia akan menawarkan turbin saja untuk pembangkit ini. Bagaimanapun juga, informasi lainnya diperlukan jika penawaran yang lengkap harus dikirimkan. Pabrikan juga perlu menyediakan informasi yang terperinci misalnya seperti daftar berikut ini:

·      tinggi permukaan saluran pembawa min/max/normal

·      tinggi permukaan saluran pembuang min/max/normal

·      tinggi permukaan rumah pembangkit

·      kualitas air, polusi, pengendapan

·      ketinggian permukaan pembangkit (untuk mencegah kavitasi di turbin-turbin Francis dan propeller/Kaplan)

·      sambungan jaringan; operasional mesin (tipe generator, transmisi mekanis)

·      metoda yang dibutuhkan. Apakah perlu untuk mengoperasikan turbin dengan debit yang berubah-ubah

·      panjang, diameter dan material penstock

·      permukaan bak penenang

·      kurva aliran air

·      sketsa instalasi

Kebanyakan pabrikan menyediakan kuisioner, yang kurang lebih terperinci. Berikut ini contoh kuisioner, yang harus diisi secara lengkap, walaupun beberapa informasi hanya diperlukan jika, misalnya governor, ada dalam penawaran

Gbr. 14 : Form untuk permintaan turbin

3     TATA LETAK TURBIN DI LOKASI MHP

3.1.      UMUM

Tata letak turbin secara umum di dalam rumah pembangkit tergantung pada peralatan yang berhubungan dan tinggi permukaan yang dibutuhkan dari poros turbin di atas (atau di bawah) tinggi permukaan saluran pembuang.

• Turbin impuls memerlukan ventilasi di runner dan harus dipasang di atas permukaan air tail. (Selama banjir tinggi permukaan air tail tidak boleh menjangkau poros turbin untuk menghindari banjir didalam rumah pembangkit akibat kebocoran di shaft turbin).
• Turbin reaksi memerlukan tinggi permukaan tertentu di atas atau di bawah permukaan air tail yang tergantung pada disain dan tinggi permukaan instalasi untuk mencegah kavitasi runner.

3.2.      DASAR PENGATURAN TURBIN YANG DIHUBUNGKAN LANGSUNG

Pada masa lalu dan di beberapa daerah pedesaan mesin-mesin tersambung langsung dengan turbin tanpa pembangkit listrik. Pada umumnya penggilingan atau pompa air tetap tersambung secara langsung. Cara ini murah dan efisien. Kerugiannya adalah tempat pengolahannya harus dekat dengan turbin.

Gbr. 15 : Mesin yang terhubung langsung dengan turbin

Generator tersedia dengan ng = 3000 rpm/(jumlah pasang kutub), yang berarti untuk generator sinkron 3000 rpm, 1500 rpm, 750 rpm, dll (generator asinkron sedikit lebih cepat akibat slip). Bagaimanapun generator berkecepatan rendah bobotnya berat dan sering didisain secara khusus.

Jika turbin didisain agar beroperasi pada kecepatan generator maka dapat dengan mudah dihubungkan secara langsung ke generator menggunakan kopling. Kadang-kadang runner didisain terutama agar turbin dapat dihubungkan langsung ke shaft generator. Terutama pembangkit-pembangkit dari aliran sungai sering didisain untuk dihubungkan langsung ke generator berkecepatan rendah untuk mencegah biaya generator yang sangat mahal.

Gbr. 16 : Runner turbin dan generator pada satu shaft

Normalnya generator dihubungkan menggunakan kopling fleksibel.

A: Generator dihubungkan langsung menggunakan kopling fleksibel (load controller, sebaiknya flywheel kecil dipasang pada shaft jika motor mulai dengan kapasitas lebih dari 20%)

B: Generator atau turbin dengan flywheel yang dihubungkan dengan kopling fleksibel (kadang-kadang belt drive untuk pengontrol kecepatan/debit)

C: Generator, kopling, flywheel besar bertumpu pada plummer block bearings, kopling ke turbin (kadang-kadang belt drive untuk pengontrol kecepatan/debit)

Gbr. 17 : Generator dihubungkan langsung

Gbr. 18 : Contoh Dewata: Generator yang dihubungkan langsung dengan flywheel pada shaft generator. Kontrol debit elektronik dengan sensor kecepatan dan posisi.

Gbr. 19 : Contoh Tengpoche: Generator yang dihubungkan langsung dengan flywheel pada shaft turbin dan kontrol mekanis yang dihubungkan dengan gearbox.

3.3.      TURBIN YANG DIHUBUNGKAN SECARA TIDAK LANGSUNG

Pada disain turbin jika tidak memungkinkan untuk mendapatkan generator untuk dihubungkan langsung maka diperlukan gear box atau belt drive. Parameter utamanya untuk pengukuran adalah rasio transmisi.

I=nturbin / ngenerator

Pada daya yang akan ditransmisikan, dimensi dan gaya dari belt dan layout gearbox diberikan oleh pabrikan atau supplier transmisi. Proyek-proyek elektrifikasi di desa hingga 50 kW hampir selalu dapat menggunakan belt. V-belt lebih mudah untuk proses alignment tetapi memiliki efisiensi yang lebih rendah dan lifetime yang lebih pendek daripada flat belts. Jika daya di atas 20-30 kW maka dianjurkan untuk menggunakan flat belts karena kinerjanya yang lebih baik dan juga karena beberapa V-belts harus digunakan dan diganti dalam satu perangkat. Gearbox hanya dianjurkan jika rasio transmisi atau daya (lebih dari 100 - 200 kW) tidak memungkinkan untuk belt drive. Gearboxes untuk daya tinggi dan transmisi dengan rasio tinggi memerlukan pendinginan ekstra dengan air blower atau dengan heat exchanger.

Gbr. 20 : Generator yang dihubungkan tidak langsung menggunakan flat belt drive pada turbin dan generator

Gbr. 21 : Generator yang dihubungkan tidak langsung menggunakan flat belt drive langsung ke turbin dan bearing tambahan dan kopling fleksibel pada shaft generator

Gbr 22 : Generator yang dihubungkan tidak langsung menggunakan flat belt drive langsung ke turbin dan flywheel dengan Plummer block bearing dan kopling pada generator base

Gbr. 23 : Generator yang dihubungkan tidak langsung menggunakan flat belt drive pada turbin dan generator

Gbr. 24 : Generator yang dihubungkan secara tidak langsung menggunakan flat belt drive ke turbin dan flywheel dengan Plummer block bearing dan kopling pada rangka generator

Gbr. 25 : Generator dan turbin yang dihubungkan secara tidak langsung menggunakan flat belt drive dengan Plummer block bearing dan kopling

Gbr. 26 : Generator dan turbin yang dihubungkan tidak langsung menggunakan flat belt drive dan flywheel dengan Plummer block bearing dan kopling

Gearbox:

Untuk output yang lebih besar digunakan gear box.

Gbr. 27 : Generator yang dihubungkan tidak langsung menggunakan gear box

Gbr. 28 : Generator yang tidak langsung dihubungkan dengan gear box

4    KESEIMBANGAN ENERGI UNTUK LOKASI MHP

4.1.      PERSAMAAN BERNOULLI: KESEIMBANGAN ENERGI DAN ALIRAN ENERGI

Rumus dasar untuk sistem hidrolis (penstock, mesin hidrolis, dll.) dengan aliran mantap adalah persamaan Bernoulli. Ini menampilkan keseimbangan energi dari partikel fluida kecil yang mengalir melalui sistem:

Gbr. 29 : Keseimbangan energi dalam pembangkit MHP

                                    (1)

 (Indeks dalam arah aliran)

dimana                      P         =          tekanan                                             dalam N/m²

v          =          kecepatan                                         dalam m/dtk

                                    z          =          ketinggian                                         dalam m

                                    x          =          koefisien losses yang terkait dengan v

                                    g          =          gaya gravitasi = 9.81 m/dtk²

                                    ρ          =          berat jenis                                         dalam kg/m³

rumus-rumus energi mekanis / hidrolis yang digunakan adalah sebagai berikut:

energi tekanan                                                        

energi kinetic                                                                       

energi potensial                                                      

energi hidrolis spesifik dari mesin yang ideal   

losses akibat gesekan di dalam sistem                          

energi internal:

Apalagi untuk bentuk energi seperti itu, kita juga perlu mempertimbangkan energi internal akibat temperatur fluida untuk menghasilkan keseimbangan energi total. Losses akibat gesekan meningkatkan energi internal, karena temperatur airnya meningkat secara perlahan. Pertimbangan seperti ini terlalu akademis dan tidak relevan untuk tujuan kita.

4.2.      PRESENTASI GRAFIS DARI KESEIMBANGAN ENERGI

Ini merupakan kebiasaan yang umum untuk menggambarkan keseimbangan energi dalam gambar (dengan skala) yang menunjukkan layout utama.

Gbr. 30 : Garis energi dasar: Garis energi jika turbin terintegrasi (dengan gesekan)

4.3.      ALIRAN ENERGI DAN EFISIENSI

Pada kenyataannya tidak semua energi hidrolis yang dikonversi di dalam turbin menjadi energi yang bermanfaat untuk konsumen. Di dalam konversi energi ini berbagai losses terjadi dan tingkat perubahan energinya dinamakan dengan efisiensi. Efisiensi total untuk pembangkit daya adalah jumlah semua efisiensi dari setiap komponennya.

Gbr. 28b: Aliran energi dalam MHP

Kelompok pertama dari losses adalah losses akibat gesekan di dalam sistem hidrolis (lihat rumus (1)). Mereka tergantung pada layout dan kondisi aktual pembangkit. Perhitungan losses akibat gesekan merupakan hal yang umum dengan anggapan kita telah mengetahuinya.

Kelompok kedua adalah efisiensi-efisiensi dari mesin konversi energi.

                                                                                                1 : efisiensi internal

                                                                                                2 : efisiensi turbin / pompa

                                                                                                3 : efisiensi kelompok total

Gbr. 31 : Aliran energi dan efisiensi di dalam turbin

Efisiensi turbin internal     

Efisiensi turbin mekanis   

dimana:

P_hyd     = energi hidrolis teoritis di turbin (biasanya       ditentukan di laboratorium sebagai hill chart)

                                                P_RU      = pada runner turbin energi tersedia

                                                P_t         = pada shaft turbin energi tersedia

h_mt       = losses akibat gesekan dalam segel turbin, bearings

efisiensi transmisi daya mekanis:

h_m        = losses akibat gesekan dalam segel turbin,    bearings

efisiensi elektrik:

h_g        = efisiensi generator total (mekanis dan elektrik)

             

efisiensi unit pembangkit total:

                                                                            (2)

Untuk penaksiran efisiensi turbin yang berbeda-beda pada beban puncak dan beban sebagian ditunjukkan di gbr. 43.

Contoh:

Lokasi MHP harus memiliki data sebagai berikut:                   

head dasar (head bersih)   H_r = 100 m

            debit dasar                            Q_r = 20 l/dtk

Pabrikan turbin, flat belt drive dan generator memberikan spesifikasi-spesifikasi sebagai berikut:

efisiensi turbin internal (dikenal dari uji model)                                                hi_t        = 0.83

efisiensi turbin mekanis (losses di segel turbin, bearing)                    h_mt       = 0.97

efisiensi transmisi daya mekanis: (Flat belt drive)                                 h_m        = 0.97

efisiensi generator                                                                                       h_g        = 0.85

Hitung:

h_t         = efisiensi turbin mekanis

h_total     = efisiensi unit pembangkit total (mekanis dan elektrik)

P_hyd     = energi hidrolis teoritis di turbin

P_RU      = energi yang tersedia di turbin

P_total    = energi unit pembangkit total

Menggambar diagram aliran energi (skala 10 cm = 100% dari energi hidrolis) yang tersedia di turbin.

Gbr. 32 : Presentasi grafis aliran energi dasar dan efisiensinya
 Contoh:

Melihat keseluruhan pembangkit MHP, sistem efisiensi harus memperhitungkan semua losses. Contoh berikut ini menunjukkan sistem efisiensi pada saat debit disain penuh.

Gbr. 33 : Losses di dalam MHP

Menghitung sistem efisiensi dan menggambar diagram aliran energi (skala 10 cm = 100% dari energi hidrolis yang tersedia)

Gbr. 34 : Aliran energi dasar

5    PRINSIP KERJA TURBIN

5.1.      DIAGRAM-DIAGRAM VEKTOR KECEPATAN

Pola aliran aktual yang melalui runner turbin sangat rumit. Ini membutuhkan asumsi-asumsi penyederhanaan untuk menguraikan aliran dengan menggunakan diagram vektor kecepatan. Meskipun demikian, diagram-diagram ini tetap menghasilkan perkiraan aliran aktual yang layak. Ketika mempertimbangkan aliran yang melalui lintasan antara blades dari runner turbin yang berputar, perbedaan harus dibuat antara aliran absolut dan aliran relatif. Aliran absolut dilihat dari rumah turbin sedangkan aliran relatif dilihat dari runner yang berputar.

sistem relatif (1)               

aliran yang melewati pengamat yang berputar pada kecepatan w

sistem absolut (2)

runner turbin mendekati pengamat pada kecepatan u

aliran mendekati pengamat yang diam pada kecepatan

c = w + u

Gbr. 35: Aliran absolut dan aliran relatif

5.2.      PERSAMAAN EULER UNTUK PERPINDAHAN ENERGI

Mr. Euler menemukannya pada tahun xx sehingga dinamakan dengan “Persamaan Euler”. Ini berdasarkan pada kekekalan momentum pada runner yang berputar di turbin atau pompa.

Sebagai contoh untuk turbin Francis kita mendapatkan diagram debit dan kecepatan sebagai berikut:

Gbr. 36: Gambar potongan dari turbin Francis

Gbr. 37: Diagram-diagram vektor kecepatan untuk turbin Francis

Konsep kekekalan momentum diterapkan pada semua tenaga putaran yang bekerja dalam runner turbin. Gbr. 48 di atas menunjukkan bahwa hanya komponen-komponen tangensial dari kecepatan inlet dan kecepatan outlet (cu₂ dan cu₁) yang berperan terhadap tingkat perubahan momentum yang mendasari tenaga putaran (T) yang bekerja di dalam shaft turbin. Semua gaya-gaya dan momentum lain (Tekanan, kecepatan komponen radial) berputar di dalam runner dan tidak menghasilkan tenaga putaran. Kita dapat menuliskan:

Tenaga putaran                           (3)

Persamaan ini dapat kita konversi ke dalam rumus umumnya:

Head Euler                       (4)

Dalam teori H_E*g menunjukkan masa energi yang ditransfer dari fluida ke runner turbin; atau dengan kata lain energi yang dibangkitkan oleh turbin terjadi ketika semua losses diabaikan. Efisiensi hidrolis diperkenalkan pada mesin-mesin riil untuk memperhatikan losses yang tak dapat dihindarkan oleh mesin:

Efisiensi hidrolis untuk turbin                                             (5)

6    KARAKTERISTIK TURBIN

6.1.      UMUM

Spesifikasi disain berikut ini harus diketahui untuk mendapatkan ukuran turbin yang akurat untuk instalasi:

·      efisiensi turbin pada debit puncak dan debit sebagian

·      kecepatan turbin

·      kinerja turbin pada kondisi beban sebagian, overload dan runaway

·      ukuran dimensi runner dan turbin

Spesifikasi-spesifikasi ini dikembangkan dari pengukuran di laboratorium dengan cara model turbin disambungkan ke brake dan throttled stepwise mulai dari kecepatan run-away sampai berhenti. Headnya tetap konstan. Semua parameter (debit, tenaga putaran dan daya) diukur untuk setiap titik dan dihitung efisiensinya. Prosedur yang sama diulangi untuk bukaan guide vane yang berbeda untuk mendapatkan karakteristik turbin yang lengkap.

Gbr. 38: Mengukur karakteristik-karakteristik turbin dengan menghentikan turbin dari kecepatan run-away sampai berhenti (posisi guide vane konstan)

Dalam istilah praktis, kecepatan variabel seperti pada grafik di atas hanya akan terjadi pada pembangkit yang berdiri sendiri (tidak tersambung dengan jaringan) tanpa governor, atau turbin pada saat kondisi start-up, shut-down dan run-away (pemutusan hubungan mendadak dari beban). Bagaimanapun, untuk pemilihan turbin yang akurat dan prediksi kinerjanya, penting untuk mengetahui debit dan efisiensi selain daripada kecepatan nominal karena kondisi pembangkit aktual akan sangat sulit bersesuaian sepenuhnya dengan data disain mesin (= nilai dasar).

6.2.      HUKUM GAYA GABUNG (AFINITAS)

Turbin digunakan selain dari head nominal:

Nilai-nilai dasar (Q₁, H₁, P₁, n₁) dari turbin telah dikenal. Dengan kondisi tersebut maka turbin akan beroperasi dengan efisiensi terbaik. Jika turbin yang sama dioperasikan dengan head yang berbeda (H₂), debit dan kecepatannya tidak akan sama lagi untuk mencapai efisiensi terbaik. Hukum gaya gabung (afinitas) digunakan untuk menghitung debit, kecepatan dan output turbin yang baru:

Gbr. 39: Turbin yang beroperasi pada dua head yang berbeda

kecepatan baru                                                               (6)

            debit baru                                                                       (7)

           

            tenaga putaran baru                                                          (8)

            output baru                                                                    (9)

Contoh:

Turbin T-12 yang dikirimkan untuk kondisi-kondisi lokasi sebagai berikut:

head dasar                H₁ = 31 m           

debit dasar                Q₁ = 497 l/dtk             

kecepatan dasar      n₁ = 742 rpm  

output dasar              P₁ = 105.8 kW

Turbin dihubungkan ke generator sinkron (ng = 1500 rpm) dengan transmisi flat belt.

            kecepatan generator           ng = 1500 rpm

            rasio perpindahan gigi        i = 1500 rpm / 742 rpm = 2.02

Sayang sekali, surveynya tidak akurat dan headnya hanya H₂ = 28 m. Apa yang harus dilakukan untuk mencapai efisiensi terbaik dengan head yang baru ini?

Solusi terbaik adalah dengan perubahan rasio perpindahan gigi untuk transmisi flat belt dan membiarkan turbin bekerja dengan kecepatan yang berbeda.

           

Menghitung rasio perpindahan gigi yang baru, debit yang baru diserap oleh turbin dan output turbin yang baru untuk head yang baru yaitu 28 m.

kecepatan baru               

                                                           

debit baru     

           

                                                           

output baru  

                                                                       

rasio perpindahan gigi baru             

           

Jika transmisi tidak diadaptasikan terhadap head yang baru, efisiensi dan outputnya akan lebih rendah dari yang dihitung.

6.3.      KONSEP DARI UNIT MESIN

6.3.1.           Umum

Dalam literatur dan pekerjaan riset praktis digunakan sejumlah definisi dan nilai spesifik. Hal ini bisa membingungkan. Ini harus dilihat dari proses historis dan dengan pendekatan ilmiah untuk melihat hal-hal yang berbeda secara individu:

• Literatur terdahulu sering menggunakan nilai-nilai dimensional. Kerugiannya adalah, misalnya sistem SI dan sistem imperial mengakibatkan nilai-nilai yang jauh berbeda untuk hal yang sama. Keuntungannya adalah, bahwa ini dapat dipahami oleh siapapun.
• Nilai-nilai non dimensional lebih abstrak tetapi bebas untuk digunakan sistem unit.
• Setiap tipe turbin memiliki sedikit perbedaan dalam disainnya. Dan juga pada aplikasinya misalnya pompa dan turbin menghasilkan perbedaan dalam definisi parameter.

Turbin-turbin komersil sering diuji di dalam laboratorium hidrolis dengan bentuk geometris yang serupa tetapi dengan model turbin yang lebih kecil. Nilai-nilai (Q_m, P_m, H_m, n_m) dari model turbin (indeks m) dengan dimensi runner tertentu (D_m dan B_m) diukur di dalam laboratorium. Bagaimanapun, model turbin ini tidak digunakan untuk instalasinya. Untuk skema MHP spesifik, semua dimensi model turbin perlu untuk diperbesar atau dinaikkan dengan menggunakan faktor skala (D_m/D_t = rasio dari diameter runner). Turbin baru ini (indeks t) harus dioperasikan dengan head (H_t) untuk mencapai efisiensi terbaik. Untuk penyederhanaan perhitungan, karakteristik dari mesin hidrolis tidak digunakan untuk model turbin tetapi untuk mesin “unit” teoritis. Mesin unit digambarkan seperti mesin dengan diameter (D₁₁) = 1 m dan head (H₁₁) = 1 m. Untuk bentuk mesin unit, disain turbin dapat dibandingkan dengan tipe dan disain turbin lainnya.