Setelah membaca materi kuliah Sistem Konversi Energi, saya sadar bahwa mesin fluida sebenarnya hanya punya dua peran. Mesin yang memberi energi ke fluida disebut pompa (atau kipas dan kompresor). Mesin yang mengambil energi dari fluida disebut turbin. Contohnya jantung kita: ia pompa kecil yang menaikkan energi darah supaya bisa mengalir ke seluruh tubuh.
Energi dalam fluida cair (tak termampatkan) bisa dilihat sebagai tiga “tinggi” atau head dalam meter: head tekanan (p/rho), head kecepatan (V2/2g), dan head ketinggian (z). Jumlahnya adalah head total. Tugas pompa adalah menaikkan head total. Pertanyaannya, bagaimana bilah yang berputar bisa memindahkan energi ke air?
Intuisi dasarnya. Bayangkan air masuk ke pusat impeler hampir tanpa berputar, lalu keluar di tepi dengan kecepatan putar yang besar. Bilah mendorong air ke samping (arah putaran), jadi air “dilempar” dan memperoleh momentum sudut. Menurut hukum kedua Newton versi sudut, torsi yang dibutuhkan sama dengan laju perubahan momentum sudut:
Di sini m dot adalah laju aliran massa (kg/s), r adalah jari-jari (1 = masuk, 2 = keluar), dan Vt adalah komponen kecepatan fluida searah garis singgung (tangential/whirl velocity). Artinya, makin besar “putaran” yang diberikan ke fluida, makin besar torsi yang dibutuhkan.
Dari torsi ke daya. Daya adalah torsi kali kecepatan sudut omega. Kecepatan bilah di jari-jari r adalah u = omega, dan laju massa m dot = rho Q (dengan rho massa jenis dan Q debit dalam m³/s). Maka:
Kalau hasilnya positif, bilah memberi energi ke fluida (pompa). Kalau negatif, fluida memberi energi ke bilah (turbin).
Dari daya ke head. Daya yang berguna untuk fluida juga bisa ditulis W dot = rho Q g H, dengan g percepatan gravitasi dan H head. Menyamakannya memberi head teoretis:
Pada pompa sentrifugal ideal, fluida masuk secara radial sehingga Vt1 = 0, dan rumusnya menjadi Hth = u2 Vt2/g. Jadi untuk head tinggi kita butuh ujung bilah yang cepat (u2 besar) dan air yang keluar dengan putaran besar (Vt2 besar).
Segitiga kecepatan sesuai analogi Prof. Harinaldi seperti membayangkan berjalan di atas karpet berjalan (travelator). Kecepatan Anda terhadap lantai bukan sama dengan kecepatan Anda terhadap karpet. Pada impeler:
- U (atau u) adalah kecepatan bilah itu sendiri (karpetnya),
- Vr adalah kecepatan air relatif terhadap bilah (air mengikuti lengkung bilah, seperti Anda berjalan di karpet),
- V adalah kecepatan absolut, yaitu yang dilihat pengamat diam (lantainya).
Ketiganya dihubungkan secara vektor: V = u + Vr. Dari segitiga ini kita bisa mencari Vt2. Dengan Vm2 sebagai komponen radial kecepatan keluar, dan beta 2 sebagai sudut bilah keluar yang diukur dari arah gerak bilah:
dengan b2 lebar impeler di sisi keluar. Sehingga:
Persamaan ini menunjukkan bahwa head bergantung pada debit Q lewat Vm2, dan pada geometri bilah lewat beta 2.
Persamaan ini penting karena menunjukkan bahwa head bergantung pada debit Q lewat Vm2, dan pada geometri bilah lewat beta 2.
Bilah melengkung ke belakang beta 2 < 90°. Cot beta 2 positif, jadi head turun saat debit naik: H = a – bQ. Kurva head–debit-nya menurun (drooping), sehingga stabil. Satu debit hanya cocok dengan satu head, jadi titik operasinya jelas. Karena kecepatan keluarnya tidak terlalu besar, energi kinetik yang harus diubah menjadi tekanan juga lebih kecil, dan efisiensi cenderung baik. Inilah pilihan standar pompa sentrifugal.
Bilah radial (beta 2 = 90°). cot 90° = 0, jadi H = a, konstan terhadap debit (secara teoretis). Bilah ini kokoh dan sederhana, dan memberi head cukup tinggi, tetapi sebagian besar energinya berupa energi kinetik.
Bilah melengkung ke depan (beta 2 > 90°). Cot beta 2 negatif, jadi H = a + bQ: head dan daya justru naik bersama debit. Head teoretisnya paling besar, tetapi kurvanya bisa tidak stabil dan motor berisiko kelebihan beban saat debit membesar. Kecepatan keluarnya sangat tinggi, sehingga rumah pompa (volute) atau difuser harus bekerja keras memperlambat aliran, dan banyak energi hilang. Bilah ini biasa dipakai di kipas, bukan pompa air.
Ada catatan penting: kurva di atas bersifat teoretis. Pada pompa nyata, jumlah bilah terbatas sehingga fluida tidak sepenuhnya mengikuti bilah. Fenomena ini disebut slip, dengan faktor slip sigma s = V’t2/Vt2, yaitu rasio putaran aktual terhadap ideal. Selain itu ada rugi gesekan dan rugi tumbukan di sisi masuk ketika debit menyimpang dari debit rancangan. Karena itu kurva aktual selalu berada di bawah kurva teoretis.
Yang saya pelajari merancang mesin fluida berarti mengatur kecepatan air. Persamaan Euler mengatakan energi yang berpindah hanya bergantung pada perubahan momentum sudut, jadi bentuk bilah pada dasarnya adalah alat untuk mengatur Vt2. Tetapi head tertinggi bukan selalu desain terbaik. Enngineer harus menimbang head, stabilitas kurva, efisiensi, dan rugi-rugi nyata seperti slip. Itu sebabnya bilah melengkung ke belakang jadi favorit pompa: ia mungkin tidak memberi head teoretis terbesar, tetapi paling bisa diandalkan.
