ccitonline.com

Bismillahirrahmanirrahim, Assalamu’alaikum Prof. DAI.
Perkenalkan nama saya Jumadil NPM 2406355180, mahasiswa S1 Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia.

Pada kesempatan ini saya akan membahas mengenai proses merancang sebuah turbin reaksi, khususnya turbin Francis. Turbin Francis merupakan salah satu jenis turbin reaksi yang banyak digunakan dalam pembangkit listrik tenaga air. Berbeda dengan turbin impuls yang mengandalkan jet berkecepatan tinggi untuk memberikan momentum pada runner, pada turbin Francis perubahan tekanan dan kecepatan fluida terjadi ketika fluida melewati sistem turbin, termasuk pada runner.

Dalam perancangan turbin Francis, beberapa hal perlu ditentukan secara berurutan, mulai dari kondisi sumber air, karakteristik aliran, hingga bentuk dan ukuran runner.

1. Menentukan Kondisi Awal

Tahap pertama adalah menentukan kondisi sumber air yang akan digunakan sebagai dasar perancangan.

Beberapa parameter yang diperlukan antara lain:

• Head efektif $(H)$
• Debit air $(Q)$
• Massa jenis air $(\rho)$
• Percepatan gravitasi $(g)$
• Kecepatan putar turbin $(N)$

Dari data tersebut dapat diketahui daya hidrolik yang tersedia:$$P_h=\rho gQH$$

Daya hidrolik ini menjadi dasar untuk menentukan kemampuan turbin dalam mengonversikan energi air menjadi energi mekanik.

---

2. Menentukan Daya dan Kecepatan Putar

Setelah kondisi sumber air diketahui, selanjutnya ditentukan target daya turbin dan kecepatan putarnya.

Kecepatan putar penting karena akan menentukan kecepatan keliling runner. Hubungannya adalah:$$U=\frac{\pi DN}{60}$$

dengan:

• $U$ = kecepatan keliling runner
• $D$ = diameter runner
• $N$ = putaran turbin

Pada tahap ini, pemilihan kecepatan putar harus mempertimbangkan kondisi operasi dan karakteristik turbin agar diperoleh desain yang sesuai.

3. Menentukan Kecepatan Aliran

Berbeda dengan Turbin Pelton, pada turbin Francis fluida tidak terlebih dahulu diubah seluruhnya menjadi jet bebas melalui nozzle.

Air diarahkan menuju runner melalui spiral casing dan guide vane. Oleh karena itu, karakteristik kecepatan aliran perlu ditentukan berdasarkan kondisi masuk dan keluar runner.

Komponen kecepatan yang perlu diperhatikan antara lain:

• Kecepatan absolut $V$
• Kecepatan keliling runner $U$
• Kecepatan relatif $V_r$
• Komponen tangensial $V_u$
• Komponen meridional $V_m$

Hubungan dasar antara ketiga kecepatan tersebut adalah:$$\vec V=\vec U+\vec V_r$$

Hubungan ini kemudian digunakan untuk membuat segitiga kecepatan pada sisi masuk dan keluar runner.

---

4. Merancang Guide Vane

Salah satu bagian penting dalam turbin Francis adalah guide vane.

Guide vane berfungsi mengatur jumlah aliran yang masuk ke runner sekaligus mengarahkan aliran dengan sudut tertentu. Sudut aliran yang dihasilkan oleh guide vane sangat penting karena akan menentukan komponen tangensial kecepatan fluida ketika memasuki runner. Komponen tangensial tersebut kemudian berhubungan dengan perubahan momentum sudut dan kerja yang dihasilkan runner.

Dengan demikian, perancangan guide vane tidak hanya berkaitan dengan pengaturan debit, tetapi juga dengan bagaimana aliran diarahkan agar energi dapat ditransfer secara efektif ke runner.

---

5. Merancang Runner

Setelah kondisi aliran masuk diketahui, tahap berikutnya adalah merancang runner.

Runner merupakan komponen utama yang menerima energi dari fluida dan mengubahnya menjadi energi mekanik berupa putaran poros.

Beberapa parameter yang perlu ditentukan antara lain:

• Diameter runner
• Lebar runner
• Jumlah sudu
• Sudut sudu masuk
• Sudut sudu keluar
• Bentuk profil sudu
• Tinggi sudu

Dalam perancangan runner, segitiga kecepatan digunakan untuk menentukan hubungan antara kecepatan fluida dan kecepatan sudu.

Dari segitiga kecepatan tersebut dapat diketahui sudut masuk dan keluar sudu yang sesuai dengan arah aliran.

---

6. Menganalisis Transfer Energi pada Runner

Setelah segitiga kecepatan diperoleh, kita dapat menganalisis bagaimana energi ditransfer dari fluida ke runner.

Salah satu persamaan penting dalam turbomachinery adalah persamaan Euler:$$w=U_1V_{u1}-U_2V_{u2}$$

untuk konvensi turbin tertentu.

Persamaan tersebut menunjukkan bahwa kerja spesifik yang diperoleh dari fluida berkaitan dengan perubahan momentum sudut yang terjadi antara sisi masuk dan sisi keluar runner.

Dengan kata lain, perubahan komponen tangensial kecepatan fluida mempunyai peranan penting dalam menghasilkan kerja pada turbin.

---

7. Menentukan Dimensi Runner

Setelah karakteristik aliran dan kecepatan runner diketahui, selanjutnya ditentukan dimensi utama runner.

Dimensi tersebut meliputi:

• Diameter sisi masuk runner
• Diameter sisi keluar runner
• Lebar runner
• Tinggi sudu
• Jumlah sudu

Ukuran runner harus disesuaikan dengan debit yang harus dilewatkan.

Secara umum, hubungan kontinuitas tetap digunakan:$$Q=AV_m$$

dengan:

• $Q$ = debit
• $A$ = luas penampang aliran
• $V_m$ = komponen kecepatan meridional

Dengan demikian, luas aliran dan dimensi runner dapat ditentukan berdasarkan debit dan kecepatan aliran yang direncanakan.

---

8. Menganalisis Daya dan Torsi

Setelah rancangan runner diperoleh, selanjutnya dapat dihitung kerja dan daya yang dihasilkan.

Daya mekanik dapat dinyatakan:$$P=T\omega$$

dengan:$$\omega=\frac{2\pi N}{60}$$

Sedangkan hubungan antara kerja spesifik dengan laju massa dapat ditulis:$$P=\dot m w$$

Tahap ini digunakan untuk mengetahui apakah rancangan runner mampu menghasilkan daya sesuai dengan target awal.

---

9. Mempertimbangkan Kerugian dan Efisiensi

Pada kondisi nyata, energi air tidak seluruhnya dapat dikonversikan menjadi energi mekanik.

Beberapa kerugian yang perlu diperhatikan antara lain:

• Kerugian pada spiral casing
• Kerugian pada guide vane
• Gesekan pada permukaan sudu
• Turbulensi
• Kerugian akibat separasi aliran
• Kerugian mekanis pada poros dan bearing

Oleh karena itu, efisiensi turbin perlu diperhitungkan.

Secara umum:$$\eta=\frac{P_{out}}{P_h}$$

Dengan membandingkan daya keluaran dengan daya hidrolik yang tersedia, performa rancangan dapat dievaluasi.

---

10. Evaluasi dan Optimasi Desain

Setelah seluruh parameter awal diperoleh, desain turbin perlu dievaluasi.

Jika hasil perhitungan belum memenuhi target, beberapa parameter dapat diubah, misalnya:

• Diameter runner
• Kecepatan putar
• Sudut guide vane
• Sudut sudu runner
• Jumlah sudu
• Luas saluran aliran

Proses ini dilakukan secara berulang sampai diperoleh rancangan yang sesuai dengan kondisi operasi yang ditentukan.

Sekian pembahasan dari saya, mohon maaf bila terdapat kesalahan pada penulisan saya. Terima kasih

Wassalamu’alaikum