Bayangkan dua cara memutar kincir. Cara pertama, kamu menyemprotkan selang bertekanan ke bilah-bilahnya. Semburan air membentur bilah, lalu kincir berputar. Inilah turbin impuls seperti Pelton: seluruh tekanan air diubah menjadi kecepatan sebelum mengenai runner, sehingga di runner tekanannya praktis tetap atmosfer. Cara kedua mirip penyiram taman putar. Air keluar dari lengan-lengannya dan lengan itu berputar karena “terdorong balik”. Air terus mengalami penurunan tekanan di dalam bagian yang bergerak. Inilah turbin reaksi.
Dari materi kuliah SKE, saya belajar bahwa turbin reaksi, yaitu Francis (aliran radial) dan Kaplan (aliran aksial), unggul pada head menengah hingga rendah dengan debit besar. Turbin Pelton bekerja di head 100โ1750 m, Francis di 30โ550 m, dan Kaplan di 1,3โ77,5 m. Jadi kalau Pelton cocok untuk air terjun pegunungan yang tinggi, Francis dan Kaplan cocok untuk sungai lebar dan bendungan. Mari kita bedah fisikanya.
Ciri utama turbin reaksi adalah energi diambil dari dua sumber sekaligus: perubahan kecepatan fluida dan penurunan tekanan di dalam kanal antar-bilah runner yang berputar. Ukuran pembagiannya adalah derajat reaksi:
Jika R = 0, seluruh penurunan tekanan terjadi di sudu pengarah (nosel), dan itulah turbin impuls murni. Jika R mendekati 1, hampir semua penurunan tekanan terjadi di runner. Francis dan Kaplan berada di antaranya. Air yang masuk runner masih bertekanan, lalu tekanannya “dikuras” sepanjang bilah bergerak. Karena kanalnya terisi penuh air, bilah-bilahnya harus bekerja dalam rumah (casing) yang tertutup.
Untuk menghitung energi yang berpindah ke runner, kita memakai persamaan turbin Euler. Prinsipnya adalah hukum kekekalan momentum sudut: torsi sama dengan laju perubahan momentum sudut aliran, dan daya sama dengan torsi dikali kecepatan sudut. Bentuk head-nya:
Di sini u adalah kecepatan tangensial bilah, dan Vt adalah komponen tangensial (pusaran/whirl) kecepatan absolut air. Indeks 1 untuk sisi masuk dan 2 untuk sisi keluar. Persamaan ini ditulis sebagai E = (UโCx1 โ UโCx2)/g. Intinya sama: turbin paling efektif jika air meninggalkan runner tanpa pusaran (Vt2 = 0), sehingga suku kedua hilang dan efisiensi hidrolis maksimum menjadi UโCx1/(gH).
Francis: Dari Radial Masuk ke Aksial Keluar
Cara termudah memahami Francis adalah membayangkan siput raksasa. Air masuk lewat rumah spiral (spiral case) yang menyempit bertahap agar kecepatannya seragam di seluruh keliling. Lalu air melewati stay ring dan deretan guide vane yang dapat diputar, yang berfungsi sebagai keran sekaligus pengarah sudut. Ketika beban generator berubah, guide vane membuka atau menutup untuk mengatur debit dan mengarahkan air ke runner dengan sudut ฮฑโ yang tepat.
Di runner, air masuk secara radial dari tepi luar menuju pusat, lalu berbelok dan keluar secara aksial ke bawah menuju draft tube. Pembelokan ini bukan hiasan: selama air berbelok melewati bilah melengkung, ia menyerahkan momentum sudutnya.
Segitiga kecepatan membuat ini mudah divisualisasikan. Di sisi masuk, kecepatan absolut Vโ adalah jumlah vektor dari kecepatan bilah uโ dan kecepatan relatif Vr1 (kecepatan air menurut “orang yang naik di bilah”). Sudut ฮฑโ diatur guide vane, sedangkan ฮฒโ ditentukan bentuk bilah. Menurut slide, bentuk segitiga ini berubah mengikuti kecepatan spesifik: runner lambat (Ns kecil) punya sudut ฮฑโ sekitar 15ยฐโ25ยฐ dengan bilah panjang-radial, sementara runner kecepatan sangat tinggi punya bilah yang lebih “terbuka” menuju bentuk aksial. Komponen radial Cr1 dihitung dari Q/(2ฯrโbโ), dengan b tinggi runner, jadi debit yang lebih besar menuntut runner yang lebih tinggi.
Kaplan adalah “kerabat aksial” Francis. Air masuk lewat rumah volute dan guide vane, lalu berbelok sehingga mengalir sejajar poros melewati runner mirip baling-baling kapal. Keunggulan khasnya: sudut bilah runner dapat diatur, selain guide vane-nya. Pada propeller fixed-blade, bilah tidak bisa berubah.
Mengapa ini penting? Sungai besar debitnya berubah menurut musim. Pada Francis atau propeller fixed-blade, efisiensi turun tajam ketika beban jauh dari titik desain. Kurva karakteristik menunjukkan propeller fixed-blade merosot hingga di bawah 50% pada beban 20%, sedangkan Kaplan tetap di atas 70% karena bilah dan guide vane saling menyesuaikan sudut sehingga air tetap masuk tanpa tumbukan. Untuk aliran aksial, kecepatan aksial dihitung Ca = 4Q/[ฯ(Dยฒ โ dยฒ)], dengan D diameter ujung bilah dan d diameter hub, dan Euler tetap berlaku di diameter rata-rata. Konsekuensinya, Kaplan memiliki mekanisme hub yang kompleks, tetapi imbalannya adalah efisiensi tinggi pada rentang beban sangat lebar.
Draft tube sering diabaikan, padahal ia menyelamatkan banyak energi. Ia adalah pipa mengembang (diffuser) yang menghubungkan keluaran runner ke air hilir (tail race). Air meninggalkan runner masih berkecepatan cukup tinggi. Tanpa draft tube, energi kinetik sisa itu terbuang begitu saja. Di slide ini disebut sebagai residual kinetic energy Vโยฒ/2g.
Mari terapkan Bernoulli dari keluaran runner (titik 2) ke permukaan air hilir (titik a):
Susun ulang untuk Pโ, dan tampak bahwa tekanan di keluaran runner lebih rendah dari atmosfer: Pโ/ฮณ = P_a/ฮณ โ (zโ โ z_a) โ Vโยฒ/2g โ hL. Draft tube yang mengembang menurunkan kecepatan air secara perlahan, dan penurunan kecepatan itu diubah kembali menjadi tekanan (pemulihan tekanan). Efeknya seperti “menyedot” runner: tekanan keluaran runner menjadi sangat rendah, sehingga selisih tekanan sepanjang runner (dan head efektifnya) bertambah. Kecepatan keluar ke tail race pun kecil, sehingga kerugian energi kinetik berkurang.
Namun ada harganya. Jika Pโ turun mendekati tekanan uap air, terbentuklah gelembung uap, dan ketika gelembung itu pecah di dekat permukaan bilah, terjadi kavitasi: erosi, getaran, bising, dan penurunan efisiensi. Para insinyur memakai parameter kavitasi Thoma sebagai ukuran keamanannya:
dengan Pv tekanan uap dan Hs tinggi pemasangan runner di atas muka air hilir. Nilai ฯ yang tersedia di lokasi harus lebih besar dari ฯ kritis turbin. Itulah sebabnya runner kecepatan tinggi sering dipasang lebih rendah, bahkan di bawah muka air hilir, agar tekanannya terjaga.
Setelah menelusuri semua ini, saya melihat pilihan antara Francis dan Kaplan sebenarnya bertumpu pada satu angka: kecepatan spesifik (Ns), yaitu ukuran yang menggabungkan putaran, daya, dan head menjadi satu bilangan yang menggambarkan “bentuk” turbin ideal untuk suatu lokasi. Menurut slide, Francis berada di Ns sekitar 50โ400 dengan head 30โ550 m, sedangkan Kaplan/propeller di Ns sekitar 280โ1100 dengan head hanya 1,3โ77,5 m. Head tinggi dengan debit sedang menghasilkan Ns rendah dan runner radial (Francis). Head rendah dengan debit raksasa menghasilkan Ns tinggi dan runner aksial (Kaplan). Jika debit sungainya berfluktuasi, bilah Kaplan yang dapat diatur menjadi pilihan yang menguntungkan.
