Assalamualaikum Warahmatullahi Wabarakatuh, perkenalkan kembali nama saya Rafi Daffa Putra Hariza dengan NPM 2306222254 dari kelas SKE-02. Pada blog kali ini saya akan membahas terkait pemahaman saya terkait turbin francis yang saya pelajari dari berbagai sumber dan bantuan AI milik Prof.DAI.
Apa itu Francis Turbine?
Turbin Francis adalah turbin dengan aliran mixed flow (radial dan axial) dan merupakan turbin reaksi yang menggunakan energi tekanan dan energi kinetik dari air untuk memutar runner. Total head dari turbin ini berkisar dari 50 sampai 400 m dan dimensionless specific speed 0,3 hingga 2,5 rad. Turbin ini merupakan jenis turbin yang paling banyak digunakan pada pembangkit listrik tenaga air karena efisiensinya yang tinggi hingga 95%.
Francis Turbine Working Principle
- Water Entry โ Air bertekanan tinggi dari penstock masuk ke spiral casing.
- Flow Regulation โ Guide vanes mengatur arah aliran dan jumlah air.
- Energy Transfer โ Air menghantam runner blades, mentransfer energi tekanan sekaligus energi kinetik.
- Rotation of Runner โ Gaya dari air menyebabkan runner berputar, yang kemudian memutar shaft.
- Exit through Draft Tube โ Air keluar secara aksial melalui draft tube, memulihkan energi tekanan sekaligus mengurangi losses kecepatan.
- Power Generation โ Shaft yang berputar dihubungkan dengan generator yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.
Konstruksi dariย Francis Turbine
Spiral Casing
Spiral casing berfungsi sebagai inlet bagi air yang masuk ke turbin, memungkinkan air bertekanan tinggi dari reservoir atau bendungan mengalir melewatinya. Untuk memastikan hantaman air ke turbine blades berlangsung efisien, pergerakan melingkar air dikendalikan dengan cara memperkecil diameter casing secara bertahap, sehingga tekanan dan momentum tetap seragam ketika menghantam runner blades.
Guide Vanes
Guide vanes yang dapat disesuaikan memiliki peran penting dalam mengatur sudut hantaman air terhadap turbine blades untuk mengoptimalkan efisiensi. Selain itu, guide vanes juga mengatur laju aliran air yang masuk ke runner blades, sehingga daya keluaran turbin dapat disesuaikan dengan beban.
Runner Blades
Blades yang dipasang pada runner (bagian berputar dari turbin) yang berfungsi menerima energi dari aliran fluida. Pada Francis turbine, runner blades terbagi menjadi dua bagian: bagian bawah berbentuk seperti bucket kecil yang memanfaatkan impulse action untuk berputar, sedangkan bagian atas memanfaatkan gaya reaksi dari aliran air. Kombinasi kedua gaya ini menghasilkan putaran pada runner.
Draft Tube
Draft tube digunakan untuk mengatasi perbedaan tekanan pada keluaran runner. Karena tekanannya umumnya lebih rendah daripada tekanan atmosfer, draft tube dibuat dengan penampang yang semakin membesar secara bertahap agar air dapat dibuang dari keluaran turbin ke tail race dengan lancar.
Dasar Teori Perhitungan Turbin Francis
Velocity Triangle dari Francis Turbine
C = absolute velocity
Cr = radial component of absolute velocity
Ctโ = tangential (whirl) component of absolute velocity
U = blade speed (U=ฯr)
W = relative velocity
C1,Cr1,Ct1,W1,U1โ = kondisi inlet
C2,Cr2,Ct2,W2,U2โ = kondisi outlet
ฮฒ1 = blade angle (inlet) ฮฒ2โ = blade angle (oulet)
ย
Head yang dihasilkan dari turbin menggunakan euler turbine equation:
Selanjutnya ada energi air yang tersedia, kita dapat menggunakan bernoulliโs equation:
Head yang ada:
Head sepanjang turbine:
Karena p3 merupakan tekanan atmosfer (p3=0) dan Z3=0, maka:
Bagian yang ada di dalam kurung dapat dituliskan sebagai H1 (Gross Head) dan juga dikurangi dengan friction loss dari pipa penstock (hfp):
Sehingga energi yang diberikan ke runner dari air per satuan berat adalah:
Dari persamaan di atas kita dapat menentukan torsi yang dihasilkan dari turbin, yaitu:
Bagi kedua sisi dengan waktu (sekon) untuk merubah usaha (W) menjadi Power (P), sehingga:
Losses pada Turbin Francis
Energy Balance pada Turbin:
Input power = losses power + output power
Losses terdiri dari mechanical losses, runner losses, casing losses, dan leakage losses.
Runner Power Loss
Qr dapat dicari dengan
q= leaking flow rate
Leakage Power Loss
Hr= head sepanjang runner
Casing Power Loss
hc= head sepanjang casing
Efisiensi pada Francis Turbine
- Overall Efficiency
2. Hydraulic Efficiency
Pemahaman dengan DAI5 AI
Dari pemahaman saya terkait turbin francis, muncul pertanyaan dari kepala saya terkait apa fungsi draft tube dan efeknya pada performa turbin francis. Akhirnya saya memetuskan untuk bertanya pada DAI5 AI.
Saya bilang
โHalo, saya Rafi Daffa Putra Hariza (NPM 2306222254) dari kelas Sistem Konversi Energi-02. Saya ingin bertanya terkait turbin francis. Tolong jelaskan bagaimana draft tube membantu meningkatkan efisiensi turbin Francis, dan faktor apa yang paling berpengaruh terhadap performanya?โโ
DAI5 AI jawab
โOke, mari kita bahas tentang draft tube dalam turbin Francis, khususnya bagaimana draft tube membantu meningkatkan efisiensi.
Bagaimana Draft Tube Membantu Meningkatkan Efisiensi Turbin Francis?
Draft tube, atau “draft tube” dalam bahasa Inggris, merupakan komponen penting dalam desain turbin Francis. Komponen ini berfungsi sebagai “kepercayaan diri” (confidence) pada area yang lebih kecil dari permukaan, memfasilitasi aliran fluida dan meningkatkan efisiensi turbin. Berikut penjelasannya:
1. Mempercepat Aliran Fluida:
- Efek Bernoulli: Draft tube, yang dirancang khusus, menciptakan efek Bernoulli. Efek ini menyebabkan fluida (air) bergerak lebih cepat di bagian atas draft tube dibandingkan bagian bawahnya. Perbedaan kecepatan ini, meskipun kecil, secara signifikan meningkatkan energi kinetik fluida.
- Peningkatan Aliran: Aliran yang lebih cepat, yang dihasilkan oleh draft tube, memungkinkan lebih banyak fluida untuk melewati area yang lebih kecil pada permukaan turbin. Hal ini menghasilkan peningkatan aliran total di area tersebut.
2. Memperbaiki Distribusi Aliran (Flow Distribution):
- Reduksi Kecepatan Fluida: Draft tube membantu meratakan distribusi aliran fluida di sekitar permukaan turbin. Aliran yang lebih merata mengurangi wake turbulence (gelombang udara) yang menyebabkan kehilangan energi.
- Meningkatkan Zona Reaksi: Distribusi aliran yang lebih baik meningkatkan zona reaksi turbin, sehingga memaksimalkan transfer energi dari fluida ke turbin.
3. Memaksimalkan Penggunaan Profil Asil (Ablation Profile):
- Profil yang Lebih Tinggi: Draft tube biasanya dirancang dengan profil yang lebih tinggi, sehingga air yang mengalir di atasnya harus menempuh perjalanan yang lebih panjang. Dengan perjalanan yang lebih panjang, air lebih banyak berinteraksi dengan permukaan turbin.
- Peningkatan Kecepatan dan Pengukuran: Profil yang lebih tinggi ini mengarah pada kecepatan yang lebih tinggi (terutama di area yang lebih dekat dengan permukaan turbin), yang dapat meningkatkan efisiensi secara keseluruhan.
4. Mengurangi Efek Wave:
- Mengurangi Gelombang: Draft tube membantu mengurangi gelombang-gelombang kecil yang dihasilkan oleh aliran fluida, yang dapat menyebabkan kehilangan energi yang signifikan.
Faktor-faktor yang Mempengaruhi Performa Draft Tube:
Selain fungsi dasar draft tube, beberapa faktor penting yang memengaruhi performa turbin Francis:
- Diameter Draft Tube: Diameter yang lebih besar umumnya meningkatkan efisiensi, tetapi juga meningkatkan risiko wake turbulence.
- Sifat Fluida: Jenis fluida (air, air laut, dll.) memengaruhi bagaimana draft tube berinteraksi dengan fluida.
- Radius Aliran: Radius aliran (jarak antara titik air) yang lebih kecil dapat meningkatkan efisiensi, tetapi juga dapat meningkatkan wake turbulence.
- Profil Draft Tube: Desain profil yang tepat (misalnya, profil yang lebih sempit di bagian dalam) sangat penting.
- Penempatan Draft Tube: Posisi draft tube (di depan atau di belakang) sangat memengaruhi performa.
Kesimpulan
Draft tube adalah elemen kritis dalam desain turbin Francis. Dengan mengoptimalkan aliran fluida dan memperbaiki distribusi aliran, draft tube berkontribusi secara signifikan pada peningkatan efisiensi dan kapasitas pembangkit energi.
Semoga penjelasan ini bermanfaat! Apakah ada aspek tertentu dari draft tube yang ingin Anda ketahui lebih lanjut? Misalnya, tentang simulasi atau bagaimana draft tube memengaruhi wake turbulence?โโ
Pendapat Saya tentang Jawaban DAI5AI
Dari jawaban DAI5 AI, saya menemukan hal-hal yang dapat dilakukan revisi dari DAI5 AI. Seperti:
- โDraft tube, yang dirancang khusus, menciptakan efek Bernoulli. Efek ini menyebabkan fluida (air) bergerak lebih cepat di bagian atas draft tube dibandingkan bagian bawahnya.โ
Pernyataan ini kurang tepat karena seharusnya draft tube justru memperlambat aliran (deceleration) karena area penampang makin besar, bukan mempercepat dan yang terjadi adalah energi kinetik dikonversi menjadi energi tekanan (diffuser effect).
- โโAliran yang lebih cepat, yang dihasilkan oleh draft tube, memungkinkan lebih banyak fluida untuk melewati area yang lebih kecil pada permukaan turbin. Hal ini menghasilkan peningkatan aliran total di area tersebut.โโ
Aliran sudah ditentukan dari sistem turbin dan tidak akan bertambah.
- ย โโAliran yang lebih merata mengurangi wake turbulence (gelombang udara) yang menyebabkan kehilangan energi.โโ
Dalam kasus turbin francis, fluida kerjanya adalah air sehingga wake turbulence dengan penekanan gelombang udara nampaknya kurang tepat.
- ย โโDraft tube biasanya dirancang dengan profil yang lebih tinggi, sehingga air yang mengalir di atasnya harus menempuh perjalanan yang lebih panjang.โโ
Draft tube berada setelah runner sehingga tidak ada lagi interaksi dengan permukaan turbin.
- โPenempatan Draft Tube: Posisi draft tube (di depan atau di belakang) sangat memengaruhi performa.โ
Draft tube selalu berada setelah runner.
Dan ilmu yang dapat saya ambil adalah:
- Draft tube menurunkan kecepatan fluida dan mengkonversinya menjadi pressure head (energy recovery).
- Draft tube membantu menenangkan aliran keluar runner, mengurangi swirl/turbulence.
- Diameter draft tube berpengaruh pada efisiensi.
- Profil/geometri draft tube sangat penting untuk kinerja.
Walaupun terdapat beberapa kekeliruan, DAI5 AI tetap dapat memberikan ilmu dan manfaat bagi saya. Hal ini dapat dimaklumi karena DAI5 AI merupakan AI yang masih baru dan masih dalam perkembangan. Sources yang dipakai juga masih terbatas sehingga training yang dilakukan belum maksimal. Saya berharap DAI5 AI dapat terus berkembang dan maju sehingga dapat memberikan manfaat bagi banyak orang.
Sekian blog dari saya,
Wassalamualaikum warahmatullahi wabarakatuh
