1

Pengaruh Variasi Sudut Datang Pipa Pancar dan Debit Air Terhadap Unjuk KerjaTurbin Arus Lintang Tingkat Pertama

Silvy Dollorossa Boedi 1) Rudy Soenoko 2) Slamet Wahyudi 3)

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Malang 1,2,3)

Jl. MT Haryono MalangTelepon (0341) 895287

E-mail : silvyboedi@gmail.com1)

Abstrak

Sesuai data potensi energi terbarukan tahun 2009, pemanfaatan energimikrohidro baru 17,22 % atau 86 MW dari 500 MW potensi yang tersedia. Salah satusumber energi terbarukan yang berpotensi untuk dikembangkan adalah pembangkitListrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH). Keunggulan PLTMH terletak pada biayapembangkitan energi listrik yang kompetitif dan teknologi yang sederhana sehinggadapat dikelola dan dioperasikan oleh masyarakat setempat. Dari permasalahan diatas,perlu dipikirkan upaya untuk meningkatkan unjuk kerja dari turbin arus lintang denganvariasi sudut pipa pancar dan debit air. Adapun tujuan dari penelitian ini adalah untukmengetahui pengaruh variasi sudut datang pipa pancar dan variasi debit air terhadapunjuk kerja turbin arus lintang tingkat pertama. Penelitian ini menggunakan metodepenelitian eksperimental dan dibuat dalam skala laboratorium. Turbin yang diuji dibatasipada turbin tingkat pertama dengan spesifikasi jumlah sudu 20 buah, luas penampangpipa pancar (nosel) 2x2 cm2, diameter lingkaran luar runner 20 cm dan diameterlingkaran dalam runner 11 cm, tebal runner 3 mm, sudut pipa pancar yang digunakanadalah 30o dan debit yang digunakan adalah 0,223 L/det. Turbin akan bekerja padaputaran yang lebih stabil dan kestabilan putaran ini dibutuhkan untuk menghasilkankualitas listrik yang jauh lebih baik.Dari hasil pengamatan akan didapatkan bahwa besar sudut masuk pipa pancar kedalam turbin tingkat pertama akan mempengaruhi unjuk kerja (torsi, daya, efisiensi)turbin arus lintang.Kata Kunci : Energi terbarukan, Mikrohidro, Turbin arus lintang

PendahuluanIndonesia memiliki potensi besar

cadangan energi baru dan terbarukan yangsangat besar namun pemanfaatannya masihbelum maksimal. Pembangkit listrik tenagaair baru mencapai 4200 MegaWatt (MW)atau sekitar 5,5 persen dari potensi yang adaPada daerah-daerah terpencil dan jauh darilokasi jaringan transmisi, diperlukan pasokandari pembangkit-pembangkit listrikberkapasitas kecil, terutama yangmemanfaatkan potensi energi setempat yangbersifat terbarukan (renewable). Salah satusumber energi terbarukan yang berpotensiuntuk dikembangkan adalah pembangkitListrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH).Keunggulan PLTMH terletak pada biaya

pembangkitan energi listrik yang kompetitifdan teknologi yang sederhana sehinggadapat dikelola dan dioperasikan olehmasyarakat setempat.Propinsi Sulawesi Utara memiliki empatwilayah sungai, yaitu wilayah sungai SangiheTalaud, Tondano Likupang, DumogaSangkup dan Poigar Ranoyapo tetapipemanfaatan listrik di Sulawesi Utara belummemaksimalkan potensi listrik tenaga airyang ada.

Pada dasarnya suatu pembangkit listriktenaga air berfungsi untuk mengubah potensitenaga air yang berupa aliran air sungai yangmempunyai debit dan tinggi jatuh (head)untuk menghasilkan energi listrik. Hayati, O.(1998), melakukan investigasi mengenaibeberapa parameter geometrik runner dannosel turbin arus lintang seperti diameter

2

ratio dan rasio lebar nosel terhadap efisiensiturbin. Dari penelitian ini didapatkan bahwaada pengaruh atau ada perbedaan unjukkerja, apabila parameter turbin diubah. Salahsatu hasil penelitian Hayati adalah grafikhubungan antara reduced speed danefficiency menunjukkan bahwa adanyapenurunan putaran (speed) akanmenurunkan efisiensi yang cukup besar.

Philip Leigh et al. (2007), secara tidaklangsung meneliti tentang efisiensipembangkit listrik mikrohidro. Dalampenelitian ini yang diamati adalah rendahnyalistrik yang dihasilkan sebuah PLTM. Kajianrendahnya produksi listrik ini adalahberdasarkan rumus P = Q H (kW),seharusnya dari head (H) dan kapasitas (Q)yang tertentu akan menghasilkan daya (P)tertentu, ternyata dari sekian banyak PLTMyang dipasang rata-rata mempunyai effisiensi() yang rendah. Menurut pendapat penelitiini, PLTM sangat prospektif, tetapi harusdilakukan penelitian lanjut, agar PLTM inimenjadi tumpuan utama penghasil listrikuntuk suatu daerah tertentu. Karena PLTMmerupakan pembangkit yang bersih (tidakpolutif) dan sifatnya renewable.

Dari beberapa penelitian sebelumnyaselalu dilakukan penelitian untukmendapatkan unjuk kerja turbin arus lintangyang lebih baik, dalam hal ini adalahkeinginan menaikkan efisiensi turbin. Tetapipenelitian yang dilakukan adalah selalumelakukan pengamatan dan modifikasi padabagian mekanis turbin seperti misalnyapenelitian air masuk turbin denganmelakukan modifikasi pipa pancar turbin.Penelitian yang lain adalah mengenaimodifikasi radius sudu. Juga ada penelitiantentang jumlah sudu yang mendapatkansemburan awal nosel, dan masih banyakbentuk penelitian baik dengan caraeksperimental murni maupun simulasi.

Tujuan PenelitianAdapun tujuan penelitian ini adalah

untuk mengetahui pengaruh variasi sudutdatang pipa pancar dan variasi debit airterhadap unjuk kerja turbin arus lintangtingkat pertama.

Metodologi PenelitianPenelitian ini menggunakan metode

penelitian eksperimental. Dalam hal ini

perangkat penelitian dibuat dalam skalalaboratorium. Variabel yang digunakan dalampenelitian ini ada tiga macam yaitu:1. Variabel bebas (independent variabel).Variabel bebas adalah variabel yang bebasditentukan nilainya oleh peneliti sebelummelakukan penelitian. Dalam penelitian inivariabel bebas yang digunakan adalah debitair 0,197 Lit/det, 0,218 Lit/det, 0,222 Lit/det,0,223 Lit/det.2. Variabel terikat (dependent variabel).Variabel terikat adalah variabel hasil yangbesarnya tidak dapat ditentukan oleh peneliti,nilai dari variable ini tergantung pada nilaidari variabel bebasnya. Variabel terikat yangdiamati dalam penelitian ini adalah efisiensi.3. Variabel terkontrol. Variabel terkontroladalah variabel yang ditentukan oleh peneliti,dan nilainya dikondisikan konstan. Variabelyang dikontrol dalam penelitian ini adalahsudut pipa pancar diatur pada 30o.

Turbin Arus Lintang (Cross Flow)Turbin arus lintang bekerja dimana

pancaran air (jet) berpenampang empatpersegi panjang menumbuk sudu yangdipasang sekeliling rotor yang berbentuksilinder. Energi diberikan kepada sudu padarotor dalam dua tahap, pertama adalah padasaat air melewati rotor dari sisi luar, dankedua adalah pada saat air tersebut akanmeninggalkan rotor. Air memasuki runner,mengalir dari bagian luar ke bagian tengahrunner dan memberikan 70-80 % darienerginya (Inversin, A.R. 1986). Setelahmelalui bagian dalam runner maka air akanmenumbuk sudu dari bagian dalam dandalam aliran sentrifugal akan memberikan20-30 % energi yang tersisa.

Segitiga KecepatanDalam segitiga kecepatan ada tiga

buah komponen kecepatan. Yang pertamaadalah kecepatan tangensial u, yaitukecepatan keliling rotor. Kedua ialahkecepatan aliran air atau kecepatan absolut vdan yang ketiga adalah kecepatan relatifterhadap sudu atau yang disebut kecepatanrelatif w. Alasan peninjauan segitigakecepatan turbin ini adalah ada kemungkinangaris alir air yang memasuki turbin, baik padawaktu masuk tingkat pertama maupun tingkatkedua tidak seideal yang digambarkan padasegitiga kecepatannya.

3

u1

w1 w2 v2

v1

u2

(a) (b)

Gambar 1 Segitiga kecepatan pada(a) sisi masuk dan (b) sisi keluar

Peralatan Penelitian1. Runner turbin arus lintang. Runner

meliputi 3 bagian utama, yaitu porosturbin, cakram turbin berdiameter luar 20cm, diameter dalam 11 cm dengan bahanplat baja setebal 3 mm, dan sudu yangberjumlah 20 buah, dengan bahan platbaja dipasang sekeliling cakram.Sedangkan plat penutup sudu terbuat dariakrilik yang transparan, setebal 3 mm.

Gambar 2 Runner

2. Nosel / Pipa Pancar. Nosel yang dipakaimempunyai ukuran penampang 2 cm x 2cm, terbuat dari terbuat dari akrilik setebal1 mm.

3. Rumah turbin. Rumah turbin dibutuhkanuntuk melindungi pancaran air yangdihasilkan putaran runner.

4. Pompa digunakan untuk mengalirkan airdari dalam reservoir menuju nosel.

5. Katup pengatur aliran. Katup ini berfungsiuntuk mengatur aliran, terutama pada saatpenelitian berlangsung, dibutuhkanpenyesuaian kecepatan aliran untukmendapatkan putaran runner yangdiinginkan

Pipa pancarTingkat pertama

Gambar 3 Pipa Pancar

6. Handel pengatur sudut nosel. Handelpengatur ini dilengkapi dengan skala busurderajat, yang bermanfaat untuk mengaturdan mengetahui posisi sudut pipa pancar() terhadap arah kecepatan putar runner.

Gambar 4 Rumah Turbin

7. Rotameter digital. Rotameter berfungsisebagai pengukur kecepatan aliran.Penelitian ini akan menggunakan sebuahrotameter yang digunakan untukmengukur kecepatan aliran air memasukinosel.

8. ADC. ADC berfungsi untuk mengubahsinyal yang masih analog menjadi sinyaldigital. ADC dibutuhkan karena semuasensor yang dipakai dalam penelitian ini

4

masih bersifat analog. Sedangkan peragaatau penerima sinyal adalah sebuahkomputer yang sifatnya adalah digital.

9. Komputer. Besaran kecepatan aliran,putaran turbin dan torsi yang dihasilkanakan direkam oleh komputer. Selanjutnyadata hasil penelitian ini akan diolah dandihasilkan beberapa diagram atau grafikuntuk melihat fenomena yang terjadi padapenelitian ini.

Gambar 5 Instalasi Penelitian

Metode Pengujian Unjuk Kerja Turbin ArusLintang.

Unjuk kerja merupakan sifat yangditunjukkan pada alat yang melibatkanvariabel bebas (indikator operasional) danvariabel terikat (indikator kinerja). Padapenelitian ini, variabel bebas yang digunakanadalah debit air dan variabel terikatnyaadalah efisiensi. Unjuk kerja meliputi dayadan efisiensi. Rumusan dari unjuk kerjaadalah :1. Brake Horse Power (BHP)

BHP = 2.π. n. T60 (Watt)dengan :n = Kecepatan putar turbin (rpm)

T = Torsi (N.m)

2. Water Horse Power (WHP)

WHP = ρ. g. Q. H3600 (Watt)dengan :V = Volume (m3)

t = Waktu (s)ρ = Massa jenis air (kg/m3)

g = Percepatan gravitasi (m/s2)Q = Debit air (m3/s)H = Head drop turbin (m)

3. Efisiensi

η = BHPWHP x 100%Persamaan Bernoulli Untuk Fluida IdealPersamaan Bernoulli untuk fluida idealmenyatakan hukum kekekalan energi padafluida. Dalam mendapatkan persamaanBernoulli terdapat asumsi- asumsi yangharus diperhatikan antara lain fluida denganaliran steady, tidak memiliki viskositas(frictionless flow), massa jenis fluida (ρ)konstan (incompressible), sehingga tidakada kehilangan energi selama fluidamengalir.

ρ. + . + z = Total head (H) =konstan [3]dengan : P = Tekanan statis fluida (N/m2)

V = Kecepatan fluida (m/s)g = Percepatan gravitasi (m/s2)z = Elevasi terhadap datum yang

sama (m)ρ = Massa jenis fluida (kg/m3)

Persamaan KontinuitasMerupakan suatu persamaan

matematis mengenai jumlah netto massafluida mengalir dalam permukaanterbatas sama dengan massa dalampermukaan itu. Volume fluida masuk adalahsama dengan volume fluida pada alirankeluar.m = = ρ1 ⋅ 1 ⋅ 1 = ρ2 ⋅ 2 ⋅ 2 [3]dengan : m = Massa alir (kg/s)

ρ = Massa jenis (kg/m3)A = Luas penampang (m2)V = Kecepatan rata-rata pada

penampang m/s)

Hasil dan PembahasanData hasil pengujian pengaruh variasi sudutdatang pipa pancar dan debit air terhadapunjuk kerja turbin arus lintang pada tingkatpertama dapat dilihat pada tabel berikut:

5

Tabel 1 Hasil perhitungan pada beban 4Newton

Sudut Debit, Q(Lit/det)

Putaran,n (Rpm)

Efisiensi(%)

30o 0.1970.218

271308

29.755.1

0.222 315 62.50.223 317 65.8

Dari hasil pengamatan akan didapatkansudut masuk pipa pancar tingkat pertamaturbin yang paling maksimum. Dengan sudutpipa pancar semakin kecil maka momentumakan bertambah yang menyebabkan torsimeningkat, sehingga efisiensi turbin jugaakan meningkat.Hasil pengolahan data pada pengujianpengaruh variasi sudut datang pipa pancardan debit air terhadap unjuk kerja turbin aruslintang tingkat pertama menunjukkan bahwapada sudut nosel 300 menghasilkan efisiensitertinggi. Hal ini disebabkan energi kecepatanair masuk sudu runner lebih banyaktermanfaatkan karena air menumbuk tepatbagian depan sudu.

Gambar 6 Grafik hubungan debit airterhadap efisiensi pada sudut nosel 30o

Gambar 7 Grafik hubungan putaranterhadap efisiensi pada sudut nosel 30o

Grafik pada gambar 6 menunjukkan bahwadebit air pada setiap penambahan bebanrelatif stabil sedangkan pada gambar 7menunjukkan putaran turbin akan turun padasetiap beban dinaikkan.

KesimpulanDari penelitian dapat disimpulkan bahwabesar sudut pipa pancar mempengaruhiunjuk kerja (torsi, daya dan efisiensi) turbinarus lintang. Pada pengujian sudut pipapancar 300 pada pembebanan 4 Newtonmenghasilkan efisiensi yang paling tinggi.Dari hasil penelitian ini dapat dilanjutkandengan variasi sudut datang pipa pancar dandebit air dengan variable yang lain.

Ucapan terima kasihPenulis mengucapkan banyak terima kasihkepada Prof. Dr. Ir. Rudy Soenoko, M.Eng.Scdan Dr. Slamet Wahyudi, ST.MT selakupembimbing yang selalu memberi motivasidan arahan dalam membahas hasil penelitiantesis ini.0.000

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

60.000

70.000

0.1800.2000.2200.240

Efisi

ensi

(%)

Debit air (L/det)

30 deg, 1Newton

30 deg, 2Newton

30 deg, 3Newton

30 deg, 4Newton

0.000

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

60.000

70.000

200 400

Efisi

ensi

(%)

Putaran (Rpm)

30 deg, 1Newton

30 deg, 2Newton

30 deg, 3Newton

30 deg, 4Newton

6

Dafrar Pustaka

1. Arismunandar, 2004: Penggerak MulaTurbin; Edisi Ketiga Cetakan KesatuBandung Penerbit ITB.

2. Barglazan, M; 2005: About DesignOptimization of Cross-Flow HydraulicTurbines; The Politechnica University ofTimisoara, New York.

3. Çengel, Yunus A. & Turner, Robert H;2001: Fundamentals of Thermal-FluidSciences; mcgraw-Hill Companies Inc,New York.

4. Yong-Do Choi, Jae-Ik LIM, You-Tak KIM,Young-Ho Lee; 2008: Performance andInternal Flow Characteristics of a Cross-Flow Hydro Turbine by the Shapes ofNozzle and Runner Blade; Jurnal of FluidScience and Technology, Korea MaritimeUniversity.

5. Hayati, Olgun; 1998: Investigation of ThePerformance of A Cross Flow Turbine;Mechanical Engineering Department,Karadeniz Technical University, Trabzon,Turkey