Turbin Reaksi
Seperti yang diindikasikan dalam bagian sebelumnya, turbin impuls paling cocok (yaitu, paling efisien) untuk operasi dengan laju aliran yang lebih rendah dan kepala yang lebih tinggi. Di sisi lain, turbin reaksi paling cocok untuk situasi dengan laju aliran yang lebih tinggi dan kepala yang lebih rendah, seperti yang sering dijumpai dalam pembangkit listrik tenaga air yang terkait dengan sungai yang dibendung, misalnya.
Dalam turbin reaksi, fluida kerja mengisi sepenuhnya lorong-lorong tempuhannya yang mengalirinya (berbeda dengan turbin impuls, yang mengandung satu atau beberapa jet fluida yang tidak terkendali). Momentum sudut, tekanan, dan kecepatan fluida berkurang saat mengalir melalui rotor turbin - rotor turbin mengekstrak energi dari fluida.
Seperti halnya dengan pompa, turbin diproduksi dalam berbagai konfigurasi—tipe aliran radial, campuran aliran, dan aliran aksial. Turbin hidrolik radial dan campuran yang khas disebut turbin Francis, dinamai dari James B. Francis, seorang insinyur Amerika. Pada kepala yang sangat rendah, tipe turbin yang paling efisien adalah turbin aliran aksial atau propeler. Turbin Kaplan, dinamai dari Victor Kaplan, seorang profesor Jerman, adalah turbin hidrolik aliran aksial yang efisien dengan sudu yang dapat disesuaikan. Potongan lintang dari berbagai jenis turbin ini ditunjukkan dalam Gambar 12.31.
Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 12.31a, aliran melintasi sudu rotor dari turbin aliran radial memiliki komponen utama dalam arah radial. Sudu pandu masuk (yang dapat disesuaikan untuk memungkinkan kinerja optimum) mengarahkan air ke rotor dengan komponen kecepatan tangensial. Kecepatan absolut air yang meninggalkan rotor pada dasarnya tanpa kecepatan tangensial. Oleh karena itu, rotor mengurangi momentum sudut fluida, fluida memberikan torsi pada rotor dalam arah rotasi, dan rotor mengekstrak energi dari fluida. Persamaan turbomachine Euler (Eq. 12.22) dan persamaan daya yang sesuai (Eq. 12.42) sama validnya untuk turbin ini seperti halnya untuk pompa sentrifugal yang dibahas dalam Bagian 12.4.
Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 12.31b, untuk turbin Kaplan aliran aksial, fluida mengalir melalui sudu pandu masuk dan mencapai kecepatan tangensial dalam gerakan pusaran sebelum mencapai
rotor. Aliran melintasi rotor mengandung komponen utama aksial. Baik sudu pandu masuk maupun sudu turbin dapat disesuaikan dengan mengubah sudut pengaturan mereka untuk menghasilkan pencocokan terbaik (output optimum) untuk kondisi operasi spesifik. Sebagai contoh, kepala operasi yang tersedia dapat berubah dari musim ke musim dan/atau laju aliran melalui rotor dapat bervariasi.
Pompa dan turbin sering dianggap sebagai "salah satu invers" dari yang lain. Pompa menambahkan energi ke dalam fluida; turbin menghilangkan energi. Propeler pada motor luar biasa (sebuah pompa) dan propeler pada turbin Kaplan dalam beberapa hal mirip secara geometris, tetapi mereka melakukan tugas yang berlawanan. Perbandingan serupa dapat dibuat untuk pompa sentrifugal dan turbin Francis. Bahkan, beberapa turbomachine besar di pembangkit listrik tenaga air dirancang untuk dijalankan sebagai turbin selama periode permintaan daya tinggi (misalnya, selama siang hari) dan sebagai pompa untuk menyuplai kembali waduk hulu dari waduk hilir selama periode permintaan rendah (misalnya, pada malam hari). Dengan demikian, jenis pompa sering memiliki jenis turbin yang sesuai. Namun, apakah mungkin untuk memiliki "invers" dari turbin roda Pelton - yaitu, sebuah pompa impuls?
Seperti halnya dengan pompa, kinerja turbin aliran tidak dapat dimampatkan seringkali diukur dalam hal parameter tak berdimensi yang sesuai. Koefisien aliran, CQ= Q/ wD3, koefisien head,CH = gha/w2D2, dan koefisien daya, Cp = Wshaft/pw3D5, didefinisikan dengan cara yang sama untuk pompa dan turbin. Di sisi lain, efisiensi turbin, h, adalah kebalikan dari efisiensi pompa. Artinya, efisiensi adalah rasio daya poros keluaran terhadap daya yang tersedia dalam fluida yang mengalir, atau
Untuk turbin yang serupa secara geometris dan untuk efek perbedaan jumlah Reynolds dan kekasaran permukaan yang dapat diabaikan, hubungan antara parameter tak berdimensi diberikan secara fungsional seperti yang ditunjukkan dalam Persamaan 12.29, 12.30, dan 12.31. Artinya,
di mana fungsi-fungsi 𝜙1, 𝜙2, dan 𝜙3 bergantung pada jenis turbin yang terlibat. Selain itu, untuk turbin, efisiensi, h, terkait dengan koefisien lain sesuai dengan 𝜂 = Cp/CHCQ.
Seperti yang disebutkan di atas, insinyur perancang memiliki berbagai jenis turbin yang tersedia untuk setiap aplikasi tertentu. Penting untuk menentukan jenis turbin mana yang paling cocok untuk pekerjaan tersebut sebelum pekerjaan desain rinci dilakukan. Seperti halnya dengan pompa, penggunaan parameter kecepatan spesifik dapat membantu memberikan informasi ini. Untuk turbin hidrolik, diameter rotor D dihilangkan antara koefisien aliran dan koefisien daya untuk mendapatkan kecepatan spesifik daya, N's, di mana
Kita menggunakan definisi yang lebih umum, tetapi tidak tanpa dimensi, dari kecepatan spesifik
Dengan kata lain, N's dihitung dengan kecepatan sudut, w, dalam rpm; daya poros, Wshaft, dalam brake horsepower; dan kepala aktual yang tersedia, ha, dalam kaki. Efisiensi turbin optimum (untuk turbin besar) sebagai fungsi dari kecepatan spesifik ditunjukkan dalam Gambar 12.32. Juga ditunjukkan adalah potongan melintang rotor dan casing yang representatif. Perlu diperhatikan bahwa turbin impuls paling baik pada kecepatan spesifik rendah; yaitu, saat beroperasi dengan kepala besar dan laju aliran kecil. Ektrem lainnya adalah turbin aliran aksial, yang merupakan jenis paling efisien jika kepala rendah dan jika laju aliran besar. Untuk nilai-nilai kecepatan spesifik yang intermediat, turbin aliran radial dan campuran menawarkan kinerja terbaik.
Data yang ditunjukkan dalam Gambar 12.32 hanya dimaksudkan sebagai panduan untuk pemilihan jenis turbin. Efisiensi turbin yang sebenarnya untuk turbin tertentu sangat bergantung pada desain rinci turbin tersebut. Analisis, pengujian, dan pengalaman yang cukup diperlukan untuk menghasilkan turbin yang efisien. Namun, data dari Gambar 12.32 adalah representatif. Banyak informasi tambahan dapat ditemukan dalam literatur.
