artikelriz

KLASIFIKASI TURBIN AIR

Fungsi turbin adalah mengubah energi ketinggian air menjadi daya putaran poros. Pemilihan jenis turbin air yang dipakai pada PLTMH tergantung pada karakteristik site tempat lokasi PLTMH tersebut, terutama tinggi head serta besar aliran air yang ada.
Setiap turbin mempunyai kecepatan putar tertentu, dimana turbin tersebut akan beroperasi dengan efisiensi terbaik pada kombinasi head dan debit tertentu. Kecepatan putar desain turbin sebagian besar ditentukan oleh besar head operasi turbin air tersebut. Turbin air dapat dibagi atas head tinggi, head menengah dan head rendah. Disamping itu dari segi beroperasinya turbin air dibedakan atas turbin impuls dan turbin reaksi sebagaimana table berikut :
Tabel Klasifikasi Jenis Turbin Air (Adam Harvey et al, Microhydro Design Manual, Intermediate Technology Publications, London, 1993)
Head tinggi Head Menengah Head rendah
Turbin impuls Pelton
Turgo Cross-flow
Multi-jet pelton
Turgo Cross-flow
Turbin reaksi Francis Propeller
Kaplan
Pada saat beroperasi sudu putar (runner) turbin reaksi terendam di dalam air dan bertekanan. Sudu runner mempunyai profil sehingga perbedaan tekanan antara satu sisi dengan sisi lainnya sehingga menimbulkan gaya, seperti sayap pesawat terbang. Gaya tersebut yang menyebabkan runner berputar.
Sedang pada turbin impuls terjadi hal yang sebaliknya, runner turbin impuls beroperasi di udara (tidak terendam air), runner tersebut diputar oleh adanya semprotan (jet) air. Pada kondisi tersebut tekanan air sama dengan tekanan udara luar (atmosfir) baik sebelum maupun sesudah mendorong sudu. Pada turbin ini sebelum mendorong sudu, air mengalir melalui nosel yang mengubah air kecepatan rendah dan tekanan tinggi menjadi kecepatan tinggi (jet). Air berkecepatan tinggi tersebut lalu mendorong runner sehingga momentum air berpindah ke runner.
PRINSIP KERJA TURBIN
Untuk memperlihatkan perbedaan antara berbagai jenis turbin air, pada bagian ini secara ringkas kita membahas jenis-jenis turbin air selain turbin cross-flow. Selanjutnya kita akan kembali ke pokok bahasan, yaitu tentang Turbin Cross-Flow secara rinci. Jenis-jenis turbin air tersebut adalah sebagai berikut :

Turbin pelton
Turbin Pelton ,bersama-sama dengan turbin Turgo dan turbin aliran silang (Cross-flow) termasuk dalam kelompok turbin impuls. Karakteristik umum dari turbin impuls adalah pemasukan air ke dalam runner pada tekanan atmosfir. Turbin ini ditemukan sekitar tahun 1880 oleh seorang Amerika yang bernama Pelton, sehingga turbin ini disebut sebagai turbin Pelton.
Turbin Pelton tersusun dari satu set sudu gerak berbentuk mangkuk yang dipasang pada roda gerak/ runner. Jika mangkuk- mangkuk tersebut didorong pancaran air berkecepatan tinggi / jet dari nosel , maka runner turbin pelton tersebut akan berputar menghasilkan energi mekanik yang dapat menggerakkan generator..

Turbin francis
Turbin Francis dapat berupa volute-case ataupun type open-flume. Konstruksi rumah keong (spiral case) memungkinkan air terdistribusi secara uniform sepanjang perimeter dari runner dan guide vane menyalurkan air tersebut pada sudut yang tepat. Sudu runner merupakan profil yang kompleks dan terendam air. Dorongan air ke sudu runner memindahkan energi air ke runner sebelum air tersebut keluar turbin lewat draft tube.
Turbin Francis biasanya mempunyai guide-vane yang dapat diatur (adjustable). Gerakan guide-vane ini mengatur aliran air yang masuk ke runner dan biasanya dihubungkan dengan system governor yang mengatur besar laju aliran air. Jika aliran air berkurang maka efisiensi turbin juga turun.


Turbin Propeller
Pada dasarnya turbin propeller terdiri dari sebuah propeller (baling-baling) ,yang sama bentuknya dengan baling-baling kapal laut, yang dipasang pada tabung setelah pipa pesat. Poros turbin menyambung keluar dari tabung. Turbin propeller biasanya mempunyai tiga sampai enam sudu, biasanya tiga sudu untuk turbin yang mempunyai head sangat rendah dan aliran air diatur oleh sudu statis atau wicket gate yang dipasang tepat di hulu propeller. Turbin propeller ini dikenal sebagai fixed blade axial flow turbine karena sudut sudu rotornya tidak dapat diubah. Efisiensi operasi turbin pada beban sebagian (part-flow) untuk turbin jenis ini sangat rendah.

Turbin Kaplan
Untuk hydropower yang berskala lebih besar maka dipakai turbin propeller yang lebih canggih. Pada turbin ini sudu propeller dan wicket gate dapat diatur sehingga efisiensi nya pada saat beroperasi pada beban rendah (part-flow) tetap baik. Turbin dengan variable pitch ini dikenal sebagai turbin Kaplan.

TURBIN CROSS-FLOW
Salah satu turbin jenis impuls yang banyak dipakai pada listrik tenaga mikrohidro adalah turbin Cross-Flow (aliran silang).
Turbin cross-flow merupakan jenis turbin yang dikembangkan oleh Anthony Michell (Australia), Donat Banki (Hongaria) dan Fritz Ossberger (Jerman). Michell memperoleh hak paten atas desainnya pada 1903. Turbin jenis ini pertama-tama diproduksi oleh perusahaan Weymouth. Turbin ini juga sering disebut sebagai turbin Ossberger, yang memperoleh hak paten pertama pada 1922. Perusahaan Ossberger tersebut sampai sekarang masih bertahan dan merupakan produsen turbin cross-flow yang terkemuka di dunia
Turbin ini mempunyai runner yang berbentuk seperti drum yang mempunyai 2 atau lebih piringan paralel yang masing-masingnya dihubungkan oleh susunan sudu yang berbentuk lengkung.
Dalam pengoperasian turbin cross-flow ini sebuah nosel empat persegi mengarahkan pancaran air (jet) ke sepanjang runner. Pancaran air tersebut mendorong sudu dan memindahkan sebagian besar energi kinetiknya ke turbin. Pancaran air tersebut lalu melewati runner dan kembali mendorong bagian sudu yang lain sebelum keluar dari runner, memindahkan sebagian kecil energi kinetiknya yang masih tersisa.
AGIAN-BAGIAN TURBIN CROSS-FLOW
Peralatan elektromekanik pada PLTMH terdiri dari turbin, generator, transmisi mekanik, trafo dan jaringan listrik. Sedangkan bagian utama yang menjadi pokok bahasan kita , yaitu turbin cross-flow terdiri dari rotor, rumah turbin, guide vane, puli, adapter dan base frame. Puli sebenarnya merupakan bagian dari transmisi mekanik yang meneruskan daya putar turbin ke generator, serta mengubah putaran turbin air sehingga sesuai dengan putaran generato.n dapat dibeli dan diperoleh dengan harga yang murah.
Dalam pembuatannya puli atau transmisi mekanik ini merupakan bagian yang tak terpisahkan dari turbin. Demikian juga generator, biasanya memakai generator yang ada tersedia di pasaran sehingga dapat dibeli dan diperoleh dengan harga yang murah.
Secara ringkas komponen-komponen utama turbin cross-flow adalah sebagai berikut :
1. Rotor atau runner turbin.
Rotor atau adalah bagian yang berputar dari turbin. Runner ini terdiri dari poros, blade dan piringan atau disk.
2. Rumah turbin.
Rumah turbin adalah bagian turbin yang merupakan tempat memasang bagian-bagian turbin lain, seperti poros atau runner, guide vane dan adapter.
3. Guide Vane.
Guide vane atau sering juga disebut sebagai distributor berfungsi untuk mengarahkan aliran air sehingga secara efektif meneruskan energinya ke blade atau rotor turbin. Dengan demikian energi kinetik yang ada pada pancaran air akan menggerakkan rotor dan menghasilkan energi mekanik yang seterusnya memutar generator melalui puli.
4. Puli dan belt :
Puli merupakan salah satu dari sistem transmisi mekanik yang sering dipakai pada PLTMH. Sistem transmisi tersebut juga berfungsi untuk mengubah kecepatan putar dari satu poros ke poros yang lain, jika kecepatan putar turbin berbeda dengan kecepatan generator atau peralatan lain yang harus diputarnya.
Sebenarnya terdapat beberapa jenis system penggerak / transmisi mekanik pada mikrohidro , yaitu : Penggerak langsung, Flat belt dan pulley, V atau wedge belt dan pulley, Chain and sprocket dan Gearbox. Namun Puli dan belt merupakan yang paling banyak dipakai.
5. Adapter
Merupakan ”pipa” penghubung antara rumah turbin dengan pipa pesat. Bentuk adapter pada satu sisi yang terhubung dengan rumah turbin adalah persegi sesuai dengan rumah turbin, sedangkan bagian yang disambung dengan inlet valve atau pipa pesat berbentuk lingkaran.
6. Base frame.
Base frame merupakan tempat atau rangka untuk meletakkan turbin. Biasanya pada PLTMH berkapasitas kecil, base frame turbin menyatu dengan base frame generator sehingga dudukan turbin dan generator telah tertentu susunannya dan tidak berubah-ubah.

GENERATOR
Daya mekanik yang dihasilkan oleh turbin air dipakai untuk menghasilkan listrik dengan menggunakannya untuk menggerakkan generator yang akan mengubah energi mekanik menjadi enerfi listrik. Type generator yang sering dipakai adalah generator yang menghasilkan arus bolak balik yang dikenal sebagai alternator.
Mengulang teori listrik sederhana, aliran listrik atau arus (simbolnya I) mempunyai satuan amper (A), beda tegangan (V) diukur dalam Volt (V). Daya (P) diukur dalam Watt (W) atau lebih sering dalam kilowatt ( 1 kW = 1000 W).
Tahanan ( R ) dari suatu rangkaian listrik menunjukkan bagaimana baiknya listrik mengalir (konduktor yang jelek mempunyai tahanan yang tinggi). Tahanan diukur dalam Ohm (W) dan ekual dengan perbedaan potensial (voltage drop) dibagi arus. Kapasitansi ( C ) menunjukkan derajat dimana energi disimpan pada medan listrik dibandingkan yang dipakai untuk kerja, dan induktansi ( L ) sama dengan kapasitansi tetapi mengacu pada medan megnet..
AC DAN DC
Terdapat 2 jenis aliran listrik yang dihasilkan oleh generator, yaitu arus listrik listrik bolak balik (AC) dan listrik arus searah (DC). Dalam hal arus bolak balik tegangan akan berubah secara sinudoida terhadap waktu, dari puncak positif ke negative. Karena tegangan berubah (dari positif ke negative dan sebaliknya) maka hasilnya arus listrik juga secara continue berubah arahnya sesuai pola yang berulang (cyclic).
Arus searah hanya mengalir pada satu arah yang sama karena tegangannya juga tetap. DC jarang dipakai pada instalasi tenaga listrik modern kecuali untuk system yang dayanya hanya beberapa ratus watt atau kurang.
GENERATOR
Generator induksi dan generator sinkron menghasilkan arus bolak-balik (AC). Keunggulan dari arus bolak-balik (AC) adalah dapat menyalurkan daya listrik pada jarak yang cukup jauh. Berlainan jika kita menggunakan arus searah yang hanya dapat menghasilkan listrik untuk penggunaan pada jarak yang sangat dekat atau pada power house. Dengan demikian maka arus bolak-balik cocok untuk proyek kelistrikan karena beban listrik biasanya tersebar dan sering jaraknya jauh dari generator.
Generator induksi mempunyai keunggulan dan sering dipakai untuk penyediaan tenaga listrik di daerah terpencil karena generator tersebut cukup kuat, kompak dan sangat andal.
Generator Sinkron :
Mempunyai rotor eksitasi yang terpisah, dipakai baik pada system terisolasi maupun interkoneksi dengan system tenaga listrik.
Generator Asinkron (induksi)
Tidak mempunyai rotor exiter, biasanya dipakai pada networks dengan sumber listrik yang lain. Pada system yang terisolasi atau independent, generator ini harus dihubungkan dengan kapasitor untuk menghasilkan listrik.
KEUNGGULAN-KEUNGGULAN TURBIN CROSS-FLOW
Keunggulan-keunggulan turbin cross-flow dibandingkan dengan turbin jenis lainnya adalah sebagai berikut :
1. Kisaran Operasi yang Luas
Turbin cross-flow ini banyak dipakai pada PLTA skala kecil dengan kisaran head yang sama (overlapping) dengan turbin jenis Kaplan, Francis dan Pelton. Kisaran operasinya meliputi debit antara 20 liter sampai 10 m3 per detik, serta head antara 1 sampai 200 meter. Turbin cross-flow ini selalu mempunyai sumbu runner yang horizontal.
Kisaran operasi turbin cross-flow dan turbin jenis lainnya dapat dilihat dari gambar grafik Debit air Vs Head netto Kisaran Operasi Turbin Air berikut :

Dari gambar grafik tersebut jelaslah bahwa turbin cross-flow dapat beroperasi pada berbagai debit, dibandingkan dengan jenis-jenis turbin lainnya seperti Pelton dan Turgo yang hanya beroperasi pada Head yang tinggi, atau propeller dan Kaplan pada Head yang Rendah. Demikian juga halnya dibandingkan dengan turbin Francis, daerah operasi turbin Cross-flow lebih luas.
Dengan adanya kisaran operasi yang luas tersebut maka turbin cross-flow memungkinkan untuk dipakai pada berbagai PLTMH yang debit dan headnya berbeda.
2. Sebagai alternatif turbin Francis.
Dengan kisaran operasi yang luas tersebut, Turbin cross-flow dapat menjadikan alternatif menggantikan turbin Francis yang dulu sering dipakai sebagai penggerak mula PLTM, termasuk juga yang berkapasitas kecil (PLTMH).
Keunggulan-keunggulan turbin cross-flow ini dibandingkan dengan jenis turbin lainnya adalah sebagai berikut :
1. Turbin cross-flow yang merupakan jenis turbin impul harganya lebih murah dari turbin reaksi karena tidak memerlukan casing yang mampu menahan tekanan tinggi, juga tidak memerlukan clearance yang sangat teliti.
2. Kisaran operasi turbin cross-flow cukup fleksibel pada berbagai head dan debit, khususnya untuk daya sampai 1 MW.
3. Desain turbin cross-flow lebih fleksibel, dimana untuk kisaran debit dan head yang berbeda ukuran diameter turbin air tetap sama, manufacturer tinggal mengatur lebar turbin dan transmisi mekanik yang sesuai. Dengan demikian memungkinkan untuk produksi massal tanpa harus memesan desain khusus.
4. Turbin type cross-flow saat ini telah banyak diproduksi di dalam negri sehingga terbuka untuk memperoleh dengan harga lebih murah dan mutu yang baik.
3. Pengaturan Efisiensi yang Tetap Tinggi pada Debit Rendah
Turbin cross-flow mempunyai keunggulan dimana dapat diatur agar agar efisiensinya tetap tinggi meskipun aliran air yang mengalir sangat kecil sekali, misalnya hanya seperempat atau 25 % dari debit aliran penuh / nominal. Hal tersebut dapat dilihat pada diagram pada gambar berikut dimana runner turbin cross-flow tersebut dilengkapi piringan (disc) ditengah-tengah piringan yang ada, sehingga runner turbin menjadi 3 (tiga) bagian.
Jika aliran air (debit) yang ada sedang rendah, maka air dapat dialirkan hanya pada dua pertiga maupun sepertiga dari runner, dengan demikian efisiensinya turbin secara keseluruhan tetap tinggi meskipun aliran air yang ada hanya sebesar 25 % debit nominal. .

Adanya karakteristik yang memungkinkan turbin ini dapat tetap mempertahankan efisiensinya meski beroperasi pada debit yang jauh dibawah titik optimalnya, merupakan suatu solusi dari bervariasinya debit air sungai pada PLTMH. Mengingat debit sungai tersebut sangat tergantung pada musim, dimana pada saat kemarau akan jauh lebih rendah. Disamping itu biasanya PLTMH tidak dilengkapi kolam tando harian apalagi waduk.
4. Mudah dan Murah Proses Fabrikasi dan Pemeliharaan.
Turbin Cross-flow merupakan turbin air jenis impuls yang berbeda dengan turbin reaksi (Francis, Propeller dan Kaplan) tidak memerlukan casing yang mampu menahan tekanan tinggi, juga tidak memerlukan clearance yang sangat teliti. Dengan sifat-sifat tersebut turbin ini lebih gampang difabrikasi dan dipelihara, misalnya untuk memperbaiki (disassembling) bagian yang berputar (runner) tidak memerlukan teknisi dan peralatan yang khusus.
Adapun komponen-komponen turbin cross-flow serta proses manufakturnya adalah sebagai table berikut :
Tabel : Komponen turbin Cross-Flow dan proses manufakturnya
Nama Komponen Uraian Proses manufaktur
Rotor Poros Rotor Bubut konvensional
Disk Rotor Milling, konvensional atau CNC
Blade Rotor Milling atau potong
Rumah Turbin Dinding Milling atau las potong
Cover Milling atau las potong
Dudukan Bearing CNC milling, atau bubut konvensional
Flens CNC milling, las,
Guide Vane Poros Guide Vane Bubut konvensional
Blade Guide Vane Milling CNC atau konvensional, las,
Pulley Turbine Pulley Roll, skrap, bubut, las
Generator Pulley Roll, skrap, bubut, las
Adapter Adapter Roll
Flens Adapter CNC milling, bubut konvensional
Stiffener Adapter CNC milling, bubut konvensional
Base Frame Turbin, generator Las
Pada dasarnya teknologi manufaktur turbin cross-flow bersifat sangat fleksibel. Artinya dapat dimanufaktur secara moderen, seperti yang sekarang diproduksi oleh Ossberger dan pabrik-pabrik di Eropa. Teknologi yang bersifat menengah yang diproduksi berbagai industri kecil di Indonesia, umumnya dengan lisensi dari Eropa. Ataupun dengan teknologi yang sederhana yang dapat dikerjakan oleh bengkel-bengkel kecil.
Dengan bentuk dan teknologi yang sederhana tersebut turbin cross-flow dapat diproduksi pada bengkel-bengkel setempat, dibandingkan dengan turbin jenis reaksi seperti Francis yang memerlukan teknologi yang lebih rumit sehingga hanya beberapa perusahaan saja di dalam negri memiliki kemampuan untuk memproduksinya. Tentu saja semakin sederhana teknologi yang dipakai, berpengaruh pada tingkat efisiensinya. Namun hal tersebut dapat ditolerir untuk pembangkit listrik berkapasitas kecil.
Untuk memberi gambaran tentang proses manufaktur turbin cross-flow yang sederhana teknologinya, berikut disampaikan contoh-contoh gambar proses manufaktur turbin cross-flow yang memanfaatkan teknologi dan peralatan sederhana.

KETERBATASAN TURBIN CROSS-FLOW
Tentunya disamping keunggulan-keunggulannya, turbin cross-flow juga memiliki berbagai keterbatasan dalam penggunaannya. Keterbatasan-keterbatasan turbin jenis ini adalah sebagai berikut :
1. Efisiensi Lebih Rendah
Masing-masing jenis turbin memiliki kurva efisiensi yang berbeda jika beroperasi pada bermacam debit aliran air. Sebuah turbin biasanya didesain untuk beroperasi pada atau di dekat titik efisiensi terbaiknya (best operating point) yang biasanya terletak pada laju aliran air (debit) sebesar 80 % laju aliran maksimum.
Jika turbin beroperasi pada debit yang lebih rendah atau lebih tinggi dari titik efisiensi terbaiknya maka efisiensi hidrauliknya akan turun.
Kurva berikut menggambarkan perubahan efisiensi dari berbagai jenis turbin sesuai dengan perubahan debit aliran air yang menggerakkan turbin yang bersangkutan.

Dari kurva di atas terlihat bahwa untuk turbin jenis Pelton dan Kaplan efisiensi hidrauliknya tetap tinggi meskipun beroperasi pada debit yang lebih rendah dari debit nominalnya. Namun untuk turbin air jenis Francis dan aliran silang (cross-flow), tingkat efisiensi hidraulik akan turun secara tajam jika beroperasi pada debit dibawah 50 % debit nominal. Sedangkan untuk turbin propeller tipe sudu yang fixed (tidak dapat diatur), tingkat efisiensi akan turun sangat tajam jika beroperasi di bawah 90 % debit nominal.
Dari kurva di atas terlihat bahwa efisiensi turbin cross-flow lebih rendah dibandingkan turbin Francis. Namun sebenarnya secara teknologi efisiensi turbin cross-flow masih dapat ditingkatkan sampai 85 % yaitu dengan memasang draught tube di bawah runner yang terisi penuh air serta dengan teknologi yang lebih teliti (Adam Harvey et al). Dengan demikian turbin jenis ini dapat dibuat secara luas dengan berbagai tingkat kecanggihan teknologi.
2. Pengaturan Secara Load Control
Sistem pengaturan pada pembangkit listrik mempunyai fungsi agar jumlah listrik yang dihasilkan sama dengan jumlah listrik yang dikonsumsi, sehingga kualitas listrik yang dihasilkan berupa tegangan dan frekuensi tetap terjaga. Untuk itu terdapat 2 jenis sistem pengaturan pada listrik tenaga air, yaitu :
a. Pengaturan debit air (Flow Control)
b. Pengaturan beban listrik (Load control)
Sistem pengaturan yang mengatur laju aliran air (flow) biasanya terdapat pada turbin air jenis Francis dan Kaplan. Dengan adanya pengaturan laju aliran air dengan governor tersebut maka jumlah air yang mengalir setiap saat akan diatur sesuai dengan kebutuhan beban listrik yang harus dialirkan. Sehingga pemakaian air akan lebih efisien.
Untuk PLTMH biasanya tidak dipakai pengaturan debit air yang menggunakan governor karena harganya yang cukup mahal. Pada PLTMH ini akan lebih menguntungkan jika beban generatornya tetap dengan mengendalikan beban untuk menjaga tegangan dan frekuensi tetap. Hal tersebut dilakukan dengan mengalihkan beban yang berlebih ke suatu ballast load (dummy load) sehingga daya listrik total dari generator tetap.
PENUTUP
Dengan kemampuannya untuk beroperasi pada kisaran debit dan flow yang luas, turbin cross-flow cocok untuk dikembangkan sebagai penggerak mula PLTMH. Sementara teknologi yang sederhana dari turbin ini yang memungkinkannya dapat diproduksi pada bengkel-bengkel setempat akan mampu menimbulkan efek sebar (spread-effect) yang luas bagi perkembangan ekonomi di daerah-daerah.
Sementara keterbatasan turbin jenis ini pada rendahnya tingkat efisiensi sebenarnya merupakan konsekwensi tingkat teknologi yang dipergunakan. Pengembangan turbin ini pada tingkat teknologi yang lebih canggih seperti yang dilakukan oleh Ossberger terbukti dapat mencapai efisiensi yang baik dan sebanding dengan turbin Francis.
Untuk itu diusulkan agar teknologi pembuatan turbin cross-flow ini dapat disebarluaskan ke seluruh daerah di Indonesia, antara lain dengan memberikan percontohan dan pelatihan pada industri permesinan atau bengkel-bengkel di daerah. Dengan melakukan diseminasi teknologi tersebut diharapkan akan memberikan dukungan yang signifikan bagi tersedianya energi listrik pada daerah-daerah terpencil yang memiliki sumber daya air..