Jurnal Ilmiah TEKNOBIZ Vol. 4 No. 2

60

OPTIMASI JUMLAH SUDU PADA TURBIN AIR CROSS FLOW

Apriantoni N*Universitas Islam Kalimantan, Fakultas Teknik, Kalsel*

AbstractEnergy consumption is directly related to the level of life of the population and the

degree industrisasi a country. Water turbin was developed in the 19th century and is widely usedfor industrial power to the power gird. Turbine is now widely used and is a source of renewableenergy. Research will be conducted ie clicking on the turbine blade optimization amount of watercross flow, in order to obtain an optimum design produced in the turbine by counting on acombination of factors in factor of speed ratio, nozzels,angle done by using a full factorialexperiment. From the data available energy source of electrical power 28 kW, with a heightdifference of 22 m, the acceleration of gravity 9.81, water discharge 0.13 m3/s, the curvature of0.90. The results of the calculation of full factorial experiments that have been carried out andobtained average effect of each factor on the turbine wheel diameter in order to obtain results ofoptimum design conditions ie the existing water energy at a height of 22 m and the velocity of thewater at 20.15 nozzel m/s, so that can be chosen cross flow turbine types, the optimal amount ofblade as follows: 18.897 (bucket)Keywords : Water , cross flow , nozzle , water turbines.

I. PENDAHULUAN

Turbin air dikembangkan padaabad ke-19 dan digunakan secara luasuntuk tenaga industri untuk jaringan listrik.Sekarang lebih umum dipakai untukgenerator listrik. Turbin kini dimanfaatkansecara luas dan merupakan sumber energiyang dapat diperbarui.Kata ‘Turbin’ diambil dari terjemahanbahasa latin dari kata ‘Whirling’ (putaran)atau ‘vortex’ (pusaran air). Perbedaan dasarantara turbin air dengan kincir air adalahkomponen putaran air yang memberikanenergi pada poros yang berputar. Komponentambahan ini memungkinkan turbin dapatmemberikan daya yang lebih besar dengankomponen yang lebih kecil. Turbin dapatmemanfaatkan air dengan putaran lebihcepat dan dapat memanfaatkan head yanglebih tinggi.Pada umumnya turbin air dioperasikansecara kontinu dalam jangka waktu yanglama. Masalah – masalah pada turbin airyang akan berujung pada berkurangnya

efisiensi dan performasi harus bisa di deteksidan di monitor selama beroperasi.

Sebelum penulis melakukan penelitian ini,terlebih dahulu penulis merumuskanpermasalahan tersebut dalam bentukpertanyaan berikut :

1. Pengaruh jumlah sudu terhadapdaya dan putaran yang dihasilkanoleh turbin air tersebut.

2. Seberapa besar pengaruh faktorkombinasi speed ratio, nozel, sudutblade, putaran spesifik pada turbinair tersebut.

Dari perumusan masalah tersebut diatas,maka tujuan penelitian ini adalah:

1. Mempelajari seberapa besarpengaruh faktor kombinasi sududan faktor diameter nozel padaturbin air cross flow.

2. Menganalisa kondisi optimumperformansi dari daya yangdihasilkan dengan memperhatikanvariasi faktor yaitu: kombinasispeed ratio, nozel, sudut blade, danputaran spesifik pada turbin air.Dimana kondisi optimum dicaridengan metode eksperimen fullfactorial, sehingga hasil akhirnyaadalah diperoleh hasil yangoptimal.

II. TEORI DASAR

Performansi dari turbin dipengaruhioleh berbagai faktor yaitu : komponen –komponen dari turbin air dan sistemkontrol atau instrumen yang bekerja selamaturbin air itu beroperasi.Turbin air akan mengubah energi kinetik airmenjadi energi mekanik, yaitu: putaran rodaturbin (bucket). Pada kondisi aktual, tidaksemua energi potensial air dapat diubah

Jurnal Ilmiah TEKNOBIZ Vol. 4 No. 2

61

menjadi energi mekanik pada turbin, pastidalam proses perubahan terdapat kerugian –kerugian.Dari hal tersebut dapat didefinisikanefisiensi dari turbin yaitu: perbandingandaya pada turbin dengan daya air padareservoir. Air dari reservoir akan mengalirdengan kapasitas tertentu dalam saluran pipayang menuju turbin. Pada turbin air terdapatpengaturan kapasitas untuk memvariasikankapasitas aliran. Pengaturan kapasitas aliranmasuk ke turbin dimaksudkan untukmerespon beban.Dalam penelitian turbin air tipe cross flowini terkonsentrasi pada pengaruh jumlahsudu, speed ratio, nozel, dan pengaruh sudutblade terhadap daya dan putaran yang dapatdibangkitkan turbin air ini yang kemudiandikonversikan dalam bentuk energi listrikalternatif. Dengan data awal Ketinggian Heff= 22 m dan debit Q = 0.13 m2/s, serta dayayang dihasilkan 28 kW.

III. METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Parameter Penelitian dan VariabelBebasnya.Paramater dalam penelitian ini adalah:

1. Variabel terikat dalam penelitian iniadalah faktor kombinasi speedratio, nozel, sudut blade, danputaran spesifik pada turbin air.

2. Variabel bebas dalam penelitian iniadalah desain yang optimal padaturbin air cross flow denganperhitungan analitik.

Data desain awal turbin air

Data awal Estimasi Kapasitas Daya yangdiperoleh sebagai berikut :

1. Daya listrik terbangkit (P), 28 kW2. Beda ketinggian (H), 22 m3. Percepatan grafitasi (g), 9.814. Debit air (Q), 0.13 m3/s5. Kelengkungan (k), 0.9 0

6. Daya motor 300 rpm7. Dengan jumlah blade 22

Metode PenelitianMetode yang digunakan dalam optimasiunjuk kerja pada turbin air cross flow adalahdengan memperhatikan dan menggunakandari faktor speed ratio, nozel, sudut blade,

Putaran spesifik dari turbin air tersebutselanjutnya dilakukan perhitungan untukmenentukan kondisi optimum denganmenggunakan metode eksperimen fullfactorial.Dengan menggunakan metode eksperimenfull factorial dapat dibuatkan Tabel 3.1.yaitu tabel yang memuat jumlahvariabel/faktor dari ekperimen dan levelyang berkaitan.

Tabel 3.1. Variabel bebas dan LevelEksperimen full factorial

Kode VariabelBebas

Level 1 Level2

Level3

A Speed ratio,(phsi)

0.41 0.45 0.48

B Nozel, (Cv) 0.97 0.98 0.99C Sudut blade,

(teta)160 165 170

D Putaranspesifik,(Ns)

8 10 12

3.2 Pengolahan DataData kuantitatif yang diperoleh dari

perhitungan dengan metode full factorialdituangkan dalam bentuk tabel. Sehinggadapat dianalisis lebih lanjut tentang optimasiunjuk kerja dari turbin air cross flow.

Pada penelitian ini sebagai variablebebas dan ruang lingkup desain dipilihsebagai berikut:

1. Speed ratio, (phsi): 0.41 phsi; 0.45phsi; 0.48 phsi

2. Nozel, (Cv): 0.97; 0.98; 0.993. Sudut blade, (teta):160o; 165o; 170o

4. Putaran spesifik, (Ns) : 8; 10; 12

IV HASIL DAN PEMBAHASAN

Perhitungan Debit air

Panjang pengukuran 5 m=Dimana:V = Kecepatan aliran air = 0.77, 0.94, 0.70dengan rata-rata = 0.80 m/st = waktu pengukuran = 6.51, 5.34, 6.21

dengan rata-rata = 6.02 s

= 0.806.02= 0.13 m3/s

Jurnal Ilmiah TEKNOBIZ Vol. 4 No. 2

62

Perhitungan Daya Turbin

Daya pada turbin dapat dihitung denganpersamaan := ( )Dimana :

: massa jenis air, 1000 kg/m3

g : percepatan gravitasi, 9.81 m/s2

Q : debit air, 0.13 m3/sH : beda ketinggian, 22 mMaka diperoleh := ( )= 1000(9.81 × 0.13 × 22)= 1000(28.0566)= 28056.6 = 28Perhitungan Diameter Roda Turbin1) Diameter roda turbin dapat dihitung

dengan persamaan :

= 60Sehingga :

= 60 ××Dimana :U =kecepatan tangensial, 8.26 m/sN = kecepatan putaran pada turbin, 205.01rpmMaka diperoleh :

= 60 × 8.263.14 × 205.01= 495.6643.7= 0.77Jadi Diameter roda turbin, 0.77 m

Perhitungan jumlah blade (bucket),Jumlah blade (bucket) dapat dihitung denganmenggunakan persamaan berikut := 2 + 15Sehingga := =Dimana :D = Diameter roda turbin, 0.77 mdj = Diameter luar pada nozel, 0.099 mMaka diperoleh :

= 0.770.099 = 7.78Sehingga diperoleh :

= 7.782 + 15= 3.89 + 15= 18.89 ℎTurbin Arus silangLebar dan Diameter Runner

Dengan konstanta C:0.98 dan k =0.087, maka akan didapat nilai yang sesuaidengan persamaan oleh Dr. Baqgki.Sehinggalebar turbin adalah:

= 144 x QN(862)( )( )(2 ) /Dimana:C =( konstanta ) = 0.98K = ( konstanta ) =0.9g = percepatan grafitasi = 9.81H = Ketinggian 22 m = 72.178 ftN = Kecepatan turbin = 205.01 rpmQ = desain debit = 0.13 m3/sMaka diperoleh :

= 144 x 0.13 x 205.01(862) × (0.98) × (0.9) × (2 × 9.81) / × (22)= 3837.78773930.02= 0.0519 m

Sehingga untuk mencari lebar turbin :

= 0.0519Pemilihan lebar turbin akan berpengaruhterhadap putaran turbin;diameter luar, lebarpancaran pada nosel jarak antara sudutturbin.Dj = 0.099 mMaka diperoleh :

= 0.05190.099= 0.524 mTebel Pancaran (So)

Luas penampang dengan V adalahkecepatanabsolut dari air dapat dihitung denganpersamaan :

Jurnal Ilmiah TEKNOBIZ Vol. 4 No. 2

63

Sehingga tebal pancaran (So) dapatdiperoleh :

= ALDimana :A = Luas penampang, 0.00650 m2

L = Lebar turbin, 0.524 mMaka diperoleh :

= 0.006500.524= 0.012405 mJarak Antara Sudu (t)Jarak antarasudu dapat dihitung denganmengetahui nilaiS1 :=Dimana :k = ( konstanta ), 0.9Dj = Diameter luar pada nozel, 0.099 mMaka diperoleh := 0.9 × 0.099= 0.0891Sehingga diperoleh :

== . .= 0.1782 mOptimasi Desain Optimum denganEksperimen Full Factorial

Dengan menggunakan data dari perhitungandimensi utama pada rancangan turbincrosflow, selanjutnya adalah melakukanperhitungan optimasi desain denganmenggunakan pengujian desain secara fullfactorial sehingga memperoleh hasil yangoptimum dari alat tersebut dan jugamemperhatikan batasan dan ruang lingkupdari penelitian.

Analisis pengaruh rata-rata masing-masing faktor

Pengaruh rata-rata factor speed ratio1. Pengaruh rata-rata faktor speed ratio,

041 phsi terhadap diameter rodaturbin A1 = 0.960 m

2. Pengaruh rata-rata faktor speedratio, 0.45 terhadap diameter rodaturbin A2 =1.053 m

3. Pengaruh rata-rata faktor speedratio, 0.48 terhadap diameter rodaturbin A3 = 1.123 m

Dari hasil perhitungan tersebut diatas dapatdiamati bahwa faktor A1, yaitu faktor speedratio, 0.41, memberikan pengaruh yang lebihbaik dari pada dua ukuran lainnya di manamemberikan hasil desain dengan jumlahdiameter roda turbin 0.960 m.

Pengaruh rata-rata Nozel, CvPengaruh rata-rata faktor Nozel, Cv

terhadap diameter roda turbin (Drt) yang adadikondisi desain adalah sebagai berikut :1. Pengaruh rata-rata faktor Nozel, cv 0.97

terhadap diameter roda turbinB1 = 1.035 m

2. Pengaruh rata-rata faktor Nozel, cv 0.98terhadap diameter roda turbin

B2 = 1.045 m

3. Pengaruh rata-rata faktor Nozel, cv 0.99terhadap diameter roda turbin

B2 = 1.056 m

Dari hasil perhitungan tersebutdiatas dapat diamati bahwa faktor B1 yaituNozel, cv 0.97, memberikan pengaruh yanglebih baik dari pada Nozel, cv 0.98 danNozel, cv 0.99, di mana memberikan hasildesain dengan dimensi yang palingekonomis yaitu diamater roda turbin yangterkecil sebesar 1.035 m.

Pengaruh rata-rata sudut baldePengaruh rata-rata faktor sudut

bladeterhadap diameter roda turbin (Drt)yang ada dikondisi desain adalah sebagaiberikut :1. Pengaruh rata-rata faktor sudut blade

160o terhadap diameter roda turbinC1 = 1.045 m

2. Pengaruh rata-rata faktor sudut blade165o terhadap diameter roda turbin

C2 = 1.045 m

3. Pengaruh rata-rata faktor sudut blade170o terhadap diameter roda turbin

C3 = 1.045 m

Hasil perhitungan tersebut diatasmemperlihatkan bahwa faktor sudut blade,memiliki nilai yang sama sehingga didalamdesain alat ini sudut blade tidak memiliki

Jurnal Ilmiah TEKNOBIZ Vol. 4 No. 2

64

pengaruh yang berarti terhadap diameterroda turbin yang didesain.

Pengaruh rata-rata Put spesifik, NsPengaruh rata-rata faktor Put

spesifik Ns, terhadap diameter roda turbin(Drt) yang ada dikondisi desain adalahsebagai berikut :

1. Pengaruh rata-rata faktor Put spesifik 8Ns terhadap diameter roda turbin

D1 = 1.271 m

2. Pengaruh rata-rata faktor Put spesifik 10Ns terhadap diameter roda turbin

D2 = 1.017 m

3. Pengaruh rata-rata faktor Put spesifik 12Ns terhadap diameter roda turbin

D3 = 0.848 m

Hasil perhitungan diatas menunjukkanbahwa faktor D3, yaitu pada Put spesifik 12Ns memberikan pengaruh yang lebih baikdari pada kedua Put spesifik yang lainnyaterhadap diameter roda turbin.

V KESIMPULAN

Dari perhitungan eksperimen fullfactorial yang sudah dilakukan dandiperoleh hasil kondisi desain yang optimumdari turbin air tersebut adalah: Energi airyang ada pada ketinggian H = 22 m dandengan daya 28 kW dan debit 0.13 m3/s,Speed ratio 0.41, Nozel 0.97, Sudut blade1600, Putaran spesifik 12. Dari hasil yang didapat dari faktor-faktor tersebut, didapathasil perhitungan bahwa Jumlah blade yangoptimal yaitu : 18.897 (bucket).

DAFTAR PUSTAKA

1. Arismunandar, W, 1982,Penggerak Mula Turbin, PenerbitITB, Bandung

2. Dietzel, F., 1990, Turbin, Pompadan Kompresor, Penerbit Erlangga,Jakarta

3. Farid, A, dan Mustaqim, 2011,Studi Potensi dan PerencanaanSistem Pembangkit Listrik TenagaMikrohidro Di Sungai GuciKabupaten Tegal, UniversitasPancasakti, Tegal

4. Khurmi, R. S and Gupta, J, K,2005, Machine Design, EurasiaPublishing House (PVT) Ltd, NewDelhi

5. Matoka, A, dan Mohamad, Y,2010, Kajian Potensi Energi ListrikMikrohidro Pada Saluran Irigasi

Jurnal Ilmiah TEKNOBIZ Vol. 4 No. 2

65

Propinsi Gorontalo UntukMenunjang Elektrifikasi Pertanian,Universitas Negeri Gorontalo,Gorontalo

6. Mockmore, C, A, dkk, 1949, TheBanki Water Turbine, BulletinSeries No 25, Oregon State College

7. Nasir, B, A, 2013, Design of HighEfficiency Cross-Flow Turbine forHydro-Power Plant, InternationalJournal of Engineering andAdvanced Technology, Vol. 2,Issues 3

8. Niblick, A, L, 2012, Experimentaland Analtical Study of HelicalCross-Flow Turbines for a TidalMicropower Generation System,Thesis Graduate Program,University of Washington

9. Negara, D, N, K, P, 2009, KajianPotensi PengembanganPembangkit Listrik TenagaMikrohidro Memanfaatkan AliranSungai Kelampuak Di DesaTamblang-Buleleng, Jurnal IlmiahTeknik Mesin Cakra M, Vol. 3 No1, pp 121-126

10. Permadi, S, dkk, 2012, StudiEksperimen dan Rancang BangunNosel Guide Vane Pada NoselTurbin Cross-Flow BerbasisComputational Fluid Dynamics,Institut Teknologi SepuluhNopember, Surabaya

11. Rosyidin, M, A, dkk, 2010,Pengaruh Bukaan Guide VaneTerhadap Unjuk Kerja TurbinCross Flow Tipe C4-20 PadaInstalasi PLTMH Andungbiru,Universitas Brawijaya, Malang

12. Sari, S, P, dan Fasha, R, 2010,Pengaruh Ukuran Diameter Nozzle7 dan 9 mm Terhadap PutaranSudu dan Daya Listrik pada TurbinPelton, Universitas Gunadarma,Depok

13. Susatyo, A, 2003, PengembanganTurbin Air Type Cross-FlowDiameter Runner 400 mm,Lembaga Ilmu PengetahuanIndonesia, Jakarta

14. Sullivan, J.A,1992, Fluid Power,Reston Publishing Company

15. Watiningsih, T, 2012, PenerapanEnergi Listrik Mandiri PLTPHSebagai Investasi Masa Depan,Jurnal Teodolita, Vol. 13 No 1, pp.48-57

16. Yanziwar, 2007, PerencanaanTurbin Cross Flow, Jurnal TeknikMesin, Vol. 4 No 1