TUGAS TURBIN FRANCIS

Oleh :

ARTHUR K.M. BINTANG (110401061)

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2014

Turbin Francis

Turbin francis petama kali dikembangkan oleh James Bichens Francis pada tahun 1848,

dia mampu membuktikan desainnya untuk menciptakan turbin dengan efisiensi sampai dengan

90%. Dia mengaplikasikan ilmu science dengan metode pengujian untuk menghasilkan turbin

dengan efisiensi yang cukup besar, kemudian ia juga membuktikannya dengan perhitungan

matematika dan grafik.

Turbin francis adalah salah satu jenis turbin air (hidraulik) yang paling sering digunakan

sampai sekarang. Turbin ini beroperasi dalam headrange antara 10 sampai beberapa ratus meter

dan fungsi utamanya adalah dalam memproduksi tenaga listrik. Memiliki vane antara 9 atau

lebih, dimana air akan mengenai vane-vane tersebut dan mengelilinginya hingga dapat

menyebabkannya berputar.

Turbin francis bekerja dengan mengunakan proses tekanan lebih. Pada waktu air masuk

ke roda jalan, sebagian dari energi tinggi jatuh telah bekerja di dalam sudu pengarah (runner)

dan diubah sebagai kecepatan arus masuk, kemudian sisa energi tinggi jatuh dimanfaatkan di

dalam sudu jalan. Adanya pipa isap memungkinkan energi tinggi jatuh bekerja di sudu jalan

dengan semaksimal mungkin. Turbin ini termasuk turbin reaksi aliran yang mengkombinasikan

konsep aliran radial dan axial. Temasuk dalam turbin reaksi yang berarti kerja fluida dalam hal

ini air mengubah tekanan dan bergerak memasuki turbin dan memberikan energi.

Inlet dari turbin Francis berbentuk spiral (rumah keong) yang menyebabkan air bergerak

tangensial memasuki daun baling-baling runner (penggerak turbin), aliran radial ini mengenai

runner dan menyebabkan runner ini berputar. Turbin francis terbagi dua yaitu turbin Francis

dengan posisi poros vertikal atau horizontal.

Bagian –bagian utama dari turbin francis adalah sebagai berikut:

Rumah spiral yang menerima air dari pipa pesat dan mengarahkan air ke turbin

(runner).

Bagian turbin yang berputar (runner).

Pipa pelepas air (draft-tube) yang meneruskan air dari turbin ke saluran pembuangan.

Gambar 1.1 Turbin Francis

(Sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/Francis_turbine)

Turbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air masuk secara

tangensial. Sudu pengarah pada turbin Francis dapat merupakan suatu sudu pengarah yang tetap

ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan pada berbagai kondisi

aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang tepat.

Prinsip Kerja Turbin Francis

Turbin francis termasuk salah satu turbin reaksi, artinya fluida yang bekerja mengubah

tekanan bersamaan dengan gerak dari turbin tersebut, yang menghasilkan energi. Inletnya

berbentuk spiral. Guide vane membawa air secara tangensial menuju runner. Aliran radial ini

bekerja pada runner vanes, menyebabkan runner berputar. Guide vane (atau wicket gate) dapat

disesuaikan untuk memberikan operasi turbin yang efisien untuk berbagai kondisi aliran air.

Air pertama kali memasuki pipa isap (penstock) lalu mengalir ke spiral case dan

mengelilingi stay vane sehingga air dapat mengalir ke dalam runner dengan kecepatan merata.

Sebelum memasuki runner, air melewati guide vane yang berfungsi untuk mengarahkan air atau

mengubah sudut masuk air sehingga bisa diatur debit air yang masuk ke turbin. Guide vane dapat

disesuaikan untuk memberikan derajat adaptabilitas untuk bermacam-macam variasi pada

kecepatan aliran air dan beban dari turbin. Air mengalir secara radial tangensial

menumbukrunner. Runner dilengkapi dengan vane berbentuk kurva yang akan ditabrak oleh air.

Setelah melewati runner, air keluar dari runner ke pipa isap secara aksial.

Spiral Case

Runner

Draft tube

Guide Vane

Stay Vane

Shaft

Komponen Utama Turbin Francis

Gambar 1.2 Bagian-bagian Turbin Francis

(Sumber: Fritz Dietzel, Turbin, Pompa, dan Kompresor)

Keterangan:

1. Roda jalan

2. Cincin labirin

3. Cincin labirin kontra

4. Cincin zat arang

5. Pipa kuras

6. Pengumpul minyak yang berputar

7. Blok bantalan

8. Bantalan penghantar

9. Saluran air kompensator

10. Bordes pelayanan

11. Poros turbin

12. Kopling

13. Poros hantar

14. Tabung penutup poros

15. Titik tangkap servomotor

16. Cincin pengatur

17. Tuas

18. Batang penggerak

19. Cincin hantaran

20. Roda penghantar

21. Tutup turbin

22. Tabung blok bantalan atas

23. Cincin penutup roda bantalan tengah

24. Cincin penutup roda pengarah

25. Daun sudu pengarah

26. Tutup turbin bawah atau cincin roda pengarah

27. Saluran udara pipa isap

28. Pipa isap

29. Rumah Keong

30. Sudu penyangga

31. Cincin sudu penyangga

Penjelasan gambar di atas yaitu sebagai berikut :

Air dimasukkan ke turbin dengan melewati rumah keong (29) yang telah diperkuat dengan

sudu-sudu penyangga (30). Di sebelah kanan adalah daun sudu pengarah (25) atau yang biasa

disebut sudu pengarah saja. Posisi membuka dan menutupnya sudu tersebut digerakkan melalui

batang penggerak (18), tuas (17), dan cincin pengatur (16) sesuai dengan banyak atau sedikitnya

air yang akan masuk ke turbin. Untuk penutupan aliran air yang masuk ke turbin dengan tiba-

tiba, misalnya pada saat pengurangan beban generator, supaya tekanan di dalam rumah keong

dan di dalam pipa saluran tidak naik, maka untuk menghindari kenaikkan tekanan tersebut

pelimpah/saluran airan kompensator (9) dapat terbuka dalam waktu yang singkat. Cincin labirin

(2 dan 3) dan juga cincin zat arang pada prinsipnya adalah mencegah jangan sampai air masuk ke

ruangan lain, kecuali hanya masuk ke sudu pengarah dan sudu jalan; air yang keluar dari sudu

pengarah mempunyai tekanan lebih. Roda jalan dengan poros dan dengan rotor generator ditahan

atau dipikul oleh bantalan tekan yang di dalam gambar yang tidak diperlihatkan. Bantalan (8)

adalah sebagai bantalan penghantar radial.

Kavitasi pada Turbin Francis

Kavitasi berasal dari kata “cavus” yang berarti kosong. Kavitasi adalah suatu peristiwa

terjadinya gelembung-gelembung uap di dalam cairan (air) yang mengalir apabila tekanan di

tempat tersebut sama dengan tekanan uapnya. Gejala kavitasi terjadi karena menguapnya zat cair

yang sedang mengalir melalui runner, karena tekanannya berkurang sampai di bawah tekanan

uap jenuhnya. Air pada kondisi biasa akan mendidih dan menguap pada tekanan 1 atm pada suhu

1000 C. Apabila tekanan di bawah 1 atm (0,023 atm - 0,042 atm), air pada suhu udara lingkungan

yaitu sekitar 200C - 330C akan mendidih dan menguap. Penguapan akan menghasilkan

gelembung-gelembung uap. Tempat-tempat bertekanan rendah atau berkecepatan tinggi mudah

terjadi kavitasi, terutama pada sisi keluar runner dan bagian masuk pipa isap. Kavitasi akan

timbul apabila tekanannya terlalu rendah.

Sebagai contoh permulaan terjadinya kavitasi adalah sebagai berikut, air yang

mengandung udara atau gelembung-gelembung uap air yang disebabkan oleh adanya kondisi

setempat yang tekanannya turun hingga dapat menimbulkan penguapan. Pada tempat yang

tekanannya lebih tinggi, maka gelembung-gelembung tersebut akan terkondensasi dan pecah

dengan tiba-tiba, hal ini akan mengakibatkan tekanan pada sisi masuk pipa isap. Berikut ini

adalah contoh kavitasi pada draft tube seperti pada gambar 1.3 di bawah ini dan kavitasi pada

runner terdapat pada lampiran 12.

Gambar 1.3 Contoh Kavitasi pada Draft Tube(Sumber: Foto Survei Lapangan di PLTA Siguragura)

Penurunan tekanan aliran didalam turbin air disebabkan perubahan energi tekanan

menjadi energi kecepatan (Bernoulli). Makin tinggi kecepatan aliran dan makin tinggi temperatur

airnya, maka makin tinggi pula bahaya dari pembentukan uap dan kavitasi. Untuk menghindari

kavitasi yang besar, maka dalam perencanaan turbin dapat menggunakan perhitungan yang

tertentu dengan memasukan harga-harga keamanan dan harga-harga yang berdasarkan

pengalaman. 

Bila gelembung-gelembung tersebut terjadi maka akan bersama-sama terbawa aliran dan

pada daerah yang lebih tinggi tekanannya, gelembung-gelembung tersebut akan pecah dengan

tiba-tiba. Pecahnya gelembung-gelembung ini akan menghasilkan tekanan yang sangat tinggi

bisa mencapai 100 atm.Kavitasi tidak muncul begitu saja pada sebuah aliran fluida, tentunya ada

beberapa faktor yang mempengaruhinya.

Faktor-faktor yang mempengaruhi terjadinya kavitasi antara lain:

1. Tekanan udara luar dimana instalasi dipasang.

2. Temperatur fluida yang digunakan. Temperatur fluida yang digunakan diusahakan

serendah mungkin sehingga tekanan penguapannya akan naik.

Kavitasi

3. Kecepatan aliran disisi buang sebaiknya diusahakan serendah mungkin agar perbedaan

tekanan tidak terlalu tinggi.

4. Kerugian akibat gesekan fluida dengan dinding saluran.

Adapun penyebab kavitasi antara lain:

1. Terjadi akibat penurunan tekanan absolut fluida sampai dibawah tekanan uap jenuh.

2. Perubahan penampang secara ekstrim dan perubahan dimensi seperti valve,orifice dan

elbow.

3. Ketinggian jatuh air (head) terlalu tinggi untuk turbin reaksi.

4. Peletakan turbin ini di atas tinggi tekanan isap (Hs).

5. Penstock yang cukup panjang sehingga memungkinkan adanya permukaan yang tidak

rata sepanjang instalasi yang menyebabkan terjadinya turbulensi sehingga dapat

menghasilkan/menyebabkan kerusakan pada turbin karena water hammer.

Adapun juga akibat kavitasi yaitu sebagai berikut:

1. Menimbulkan suara yang sangat bising dan getaran–getaran yang sangat merusak

instalasi turbin.

2. Dengan tekanan yang begitu tinggi akibat pecahnya gelembung dari air yang menguap

akan mudah merusak material–material yang dipakai pada instalasi turbin.

3. Menyebabkan putaran turbin tidak setimbang yang dapat menurunkan efisiensi dan daya

turbin

Untuk mencegah terjadinya kavitasi ini, maka perlu diambil langkah-langkah sebagai

berikut :

1. Menghindarkan tikungan-tikungan yang tajam seperti: sambungan elbow antara pipa

tekan dan penstock, serta permukaan yang bergelombang sepanjang saluran

instalasi/saluran water way sampai rumah siput.

2. Mempergunakan material yang cukup kuat, pada tempat – tempat dimana diperkirakan

kavitasi bakal terjadi. Pada daerah runner, sudu-sudu (guide vane) dan sisi masuk pipa

isap, kondisi yang cenderung terjadi kavitasi, maka bahan guide vane dan runner terbuat

dari bahan yang keras dan tidak berkarat, serta pipa isap dilapisi dengan cat anti karat.

3. Menggunakan komponen pelengkap turbin (fitting) yang tingkat lossesnya kecil.

4. Memilih runner yang tepat bentuknya dan jumlah vanenya.

5. Peletakan turbin ini diusahakan harus selalu dibawah tinggi tekanan isap (Hs), yaitu letak

turbin berada di bawah elevasi air buang (tail water level).

Gambar 3.17 berikut ini adalah contoh peletakan turbin yang rawan kavitasi.

Gambar 1.4 Contoh Peletakan Turbin yang Rawan Kavitasi(Sumber: http://www.slideshare.net/gilagilaan/turbin-air-2)

Faktor Kavitasi

Prof. Dietrich Thoma dari Munich, Jerman mengemukakan faktor kavitasi (sigma/angka

Thoma) untuk menentukan tekanan dimana turbin dapat bekerja tanpa terkena dampak kavitasi

sehingga kavitasi dapat dihindari. Untuk menghindari kavitasi perlu diketahui angka Thoma

kritis. Adapun nilai kritis dari faktor kavitasi (σc) yaitu sebagai berikut:

σ c=patm−pv−hs

hefektif..............................................(3.21)

dimana:σ c = Angka Thoma kritis

patm = Head tekanan atmosfer (m)

pv = Head tekanan uap jenuh fluida (m)

Hs = Jarak vertikal antara sumbu pusat runner dan tail water level (m)

Heff = Head efektif(m) = Head maksimum – Kerugian head (head race

sampai inlet valve)

Adapun angka Thoma pada saat turbin bekerja disebut angka Thoma Aktual. Untuk

menghitung nilai aktual dari faktor kavitasi (σ a) yaitu:

σ a=patm−pmin−hs

hefektif.................................(3.22)

dimana:σ c = Angka Thoma aktual

patm = Head tekanan atmosfer (m)

pmin = Head tekanan minimum pada titik yang diteliti (m)

Hs = Jarak vertikal antara sumbu pusat runner dan tail water level (m)

Heff = Head efektif(m) = Head maksimum – Kerugian head dari head

race sampai inlet valve)

Agar kavitasi tidak terjadi maka head tekanan minimum ( pmin) harus lebih besar daripada

head tekanan uap jenuh cairan ( pv). Selain itu agar tidak terjadi kavitasi maka nilai σa harus lebih

kecil daripada nilai σc. Dari keadaan tersebut maka dapat diketahui besarnya tingkat kavitasi,

yaitu:

T𝑖𝑛𝑔𝑘𝑎𝑡 K𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑠𝑖 = σa

σc................................................(3.23)

Keterangan: 𝜎𝑐=Thoma kritis

𝜎a=Thoma aktual

Dari rumus diatas jika didapatkan nilai lebih dari 1 maka dapat dipastikan dalam turbin

tersebut terjadi kavitasi dan sebaliknya, jika didapatkan nilai kurang dari 1 maka pada turbin

tersebut tidak terjadi kavitasi.

Pemilihan Jenis Turbin

Secara teoritis dalam perencanaan pemilihan jenis turbin ditentukan berdasarkan

kecepatan spesifik (ns) dan tinggi jatuh air efektif (He).

Pemilihan berdasarkan tinggi jatuh air

Pemilihan dengan berdasarkan tinggi jatuh air diperoleh, maka dapat dilihat pada tabel

3.2 berikut ini.

Tabel 3.2 Pemilihan Jenis Turbin Berdasarkan Tinggi Jatuh Air

No Tinggi jatuh air / head (m)

Jenis Turbin

1 1 sampai 50 Turbin Cross Flow

2 50 sampai 250 Francis atau kaplan

3 250 sampai 300 Francis atau pelton

4 Di atas 300 Pelton

Sumber: RS Khurmi. A Text Book of Hydraulic, Fluid Mechanics, and Hydraulic Machines

Pemilihan berdasarkan kecepatan spesifik

Kecepatan spesifik adalah kecepatan turbin dimana dapat dihasilkan 1 HP untuk setiap

tinggi jatuh air (H) = 1 Ft. kecepatan spesifik dari suatu turbin dapat diketahui dengan

mempergunakan persamaan dan kondisi yang diketahui.Setelah dihitung atau didapatkan nilai

nsdengan mempergunakan persamaan maka dapat dipilih jenis turbin dengan menggunakan tabel

3.3 di bawah ini.

Tabel 3.3 Pemilihan Jenis Turbin Berdasarkan Kecepatan Spesifik

No Kecepatan Spesifik (rpm) Jenis turbin

1 10 sampai 35 Turbin Pelton dengan Nozzel tunggal

2 35 sampai 60 Turbin Pelton dengan dua Nozzel atau lebih

3 60 sampai 300 Turbin Francis

4 300 sampai 1000 Turbin Kaplan

Sumber: RS Khurmi. A Text Book of Hydraulic, Fluid Mechanics, and Hydraulic Machines