ุจูุณูู ู ุงูููููู ุงูุฑููุญูู ููฐูู ุงูุฑููุญููู ู
Assalamualaikum Prof DAI dan teman-teman. Perkenalkan saya Cyril Mumtaaz, mahasiswa SKE-02 dengan NPM 2406399844. Pada artikel ini, saya akan menjelaskan bagaimana cara merancang turbin reaksi yang diterapkan pada Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA).
1. Pengertian Turbin Reaksi
Turbin reaksi adalah mesin fluida yang mengubah energi fluida menjadi energi mekanik melalui kombinasi perubahan momentum dan perubahan tekanan fluida ketika fluida melewati sudu turbin.
Berbeda dengan turbin impuls, pada turbin reaksi penurunan tekanan tidak hanya terjadi sebelum fluida memasuki runner, tetapi juga terjadi ketika fluida mengalir melewati runner. Dengan demikian, runner memperoleh energi dari dua mekanisme, yaitu perubahan energi kinetik dan perubahan tekanan.
Salah satu contoh turbin reaksi adalah Turbin Francis. Turbin ini banyak digunakan pada pembangkit listrik tenaga air karena dapat bekerja pada kondisi head dan debit menengah. Pada Turbin Francis, air masuk ke turbin melalui spiral casing, kemudian diarahkan oleh guide vane menuju runner. Setelah melewati runner, air keluar melalui draft tube.
Secara sederhana, proses konversi energi pada Turbin Francis dapat digambarkan sebagai:
Energi potensial air
โ
Spiral casing
โ
Guide vane mengatur debit dan arah aliran
โ
Runner mengalami perubahan tekanan dan momentum
โ
Energi fluida โ energi mekanik
โ
Poros berputar
โ
Generator menghasilkan energi listrik
Karena prinsip kerjanya melibatkan perubahan tekanan di dalam runner, perancangan Turbin Francis membutuhkan analisis kondisi aliran pada sisi masuk dan keluar runner.
2. Menentukan Kondisi Awal
Langkah pertama adalah menentukan kondisi operasi turbin. Beberapa parameter utama yang diperlukan adalah:
- Head efektif, H
- Debit air, Q
- Massa jenis air, ฯ
- Percepatan gravitasi, g
- Putaran turbin, N
Head efektif merupakan energi spesifik yang tersedia untuk dikonversikan oleh turbin setelah mempertimbangkan kehilangan energi pada sistem.
Daya hidrolik yang tersedia dapat dihitung dengan:
Pโ = ฯgQH
Persamaan ini memberikan perkiraan daya yang tersedia dari aliran air sebelum dikonversikan menjadi daya mekanik.
3. Menentukan Daya Output
Tidak seluruh daya hidrolik dapat diubah menjadi daya mekanik karena terdapat berbagai kehilangan energi, misalnya akibat gesekan, turbulensi, dan kerugian pada komponen turbin.
Jika efisiensi hidrolik dan mekanik diperhitungkan, daya poros dapat diperkirakan menggunakan:
Pโแตคโ = ฮท ร ฯgQH
dengan ฮท merupakan efisiensi keseluruhan turbin.
4. Menentukan Kecepatan Putar Turbin
Kecepatan putar turbin berkaitan dengan karakteristik sistem pembangkit dan generator yang digunakan.
Hubungan antara kecepatan sudut dan putaran adalah:
ฯ = 2ฯN / 60
Kecepatan sudut ini nantinya digunakan untuk menentukan torsi yang dibutuhkan untuk menghasilkan daya tertentu:
P = Tฯ
sehingga:
T = P / ฯ
Dengan demikian, semakin besar daya yang harus ditransmisikan pada putaran tertentu, semakin besar pula torsi yang harus dihasilkan oleh runner.
5. Analisis Kecepatan pada Runner
Berbeda dengan Turbin Pelton, aliran pada Turbin Francis berlangsung di dalam runner. Oleh karena itu, analisis kecepatan dilakukan menggunakan segitiga kecepatan.
Hubungan dasar yang digunakan adalah:
V = U + W
dengan:
- V = kecepatan absolut air
- U = kecepatan keliling runner
- W = kecepatan relatif terhadap runner
Kecepatan keliling runner ditentukan dari:
U = ฯDN / 60
Besarnya kecepatan absolut dan relatif kemudian digunakan untuk menentukan sudut sudu pada sisi masuk dan keluar runner.
6. Menentukan Sudut Sudu
Salah satu parameter penting dalam desain runner adalah sudut sudu.
Sudut sudu ditentukan berdasarkan segitiga kecepatan agar arah aliran yang masuk dan keluar runner sesuai dengan kondisi desain.
Secara umum, hubungan komponen kecepatan dapat dituliskan menggunakan hubungan trigonometri pada segitiga kecepatan.
Pada sisi masuk:
tan ฮฒโ = Vแตฃโ / (Uโ โ Vwโ)
Sedangkan pada sisi keluar:
tan ฮฒโ = Vแตฃโ / (Uโ โ Vwโ)
Keterangan:
- ฮฒโ = sudut sudu pada sisi masuk
- ฮฒโ = sudut sudu pada sisi keluar
- Vแตฃ = komponen kecepatan radial
- Vw = komponen kecepatan tangensial
- U = kecepatan keliling runner
Dengan demikian, bentuk dan orientasi sudu tidak dipilih secara sembarang, tetapi ditentukan berdasarkan karakteristik aliran yang melewati runner.
7. Menghitung Energi yang Dipindahkan ke Runner
Energi yang diberikan oleh aliran kepada runner dapat dianalisis menggunakan persamaan Euler untuk turbomachinery:
P / แน = UโVwโ โ UโVwโ
atau dalam bentuk head Euler:
Hโ = (UโVwโ โ UโVwโ) / g
Persamaan ini menunjukkan bahwa perpindahan energi pada turbin berkaitan dengan perubahan momentum sudut fluida ketika melewati runner.
Jika kondisi keluar runner dirancang sehingga komponen pusaran keluar relatif kecil, sebagian besar energi aliran dapat diekstraksi oleh runner.
8. Menentukan Torsi Runner
Perubahan momentum sudut menghasilkan torsi pada poros.
Persamaannya dapat dituliskan sebagai:
T = แน(Uโrโ โ Uโrโ)
dengan:
- T = torsi
- แน = laju aliran massa
- rโ = radius sisi masuk
- rโ = radius sisi keluar
- Uโ dan Uโ = kecepatan keliling pada sisi masuk dan keluar
Laju aliran massa diperoleh dari:
แน = ฯQ
Torsi yang diperoleh kemudian dapat digunakan untuk menentukan daya mekanik.
9. Menentukan Daya Poros
Daya mekanik yang dihasilkan runner dapat dihitung menggunakan:
P = Tฯ
atau:
P = 2ฯNT / 60
Daya tersebut kemudian diteruskan melalui poros menuju generator untuk dikonversikan menjadi energi listrik.
10. Mengevaluasi Efisiensi
Tahap akhir adalah membandingkan daya yang berhasil dihasilkan dengan daya hidrolik yang tersedia.
Efisiensi turbin dapat dihitung dengan:
ฮท = Pโแตคโ / Pโ
sehingga:
ฮท = Pโแตคโ / (ฯgQH)
Nilai efisiensi menunjukkan seberapa besar energi yang tersedia dari aliran air berhasil dikonversikan menjadi daya mekanik pada poros.
Kesimpulan
Turbin Francis merupakan salah satu contoh turbin reaksi yang bekerja dengan memanfaatkan perubahan tekanan, kecepatan, dan momentum aliran ketika air melewati runner.
Perancangan sederhananya dimulai dengan menentukan kondisi operasi berupa head dan debit, kemudian menentukan kebutuhan daya dan putaran. Selanjutnya dilakukan analisis segitiga kecepatan untuk menentukan karakteristik aliran serta geometri sudu runner. Perpindahan energi kemudian dianalisis menggunakan persamaan Euler turbomachinery, sebelum akhirnya diperoleh torsi, daya poros, dan efisiensi turbin.
Dengan demikian, berbeda dengan Turbin Pelton yang menerima jet air berkecepatan tinggi pada bucket, Turbin Francis mengekstraksi energi dari aliran yang mengalami perubahan tekanan dan momentum ketika melewati runner.
Terimakasih sudah membaca sampai akhir. Jika ada kesalahan dalam penulisan kata atau dalam penjelasan, mohon koreksinya, Prof. DAI dan/atau teman-teman sekalian.
Wassalamualaikum.
