KAJIAN EKSPERIMENTAL PENGARUH PENYEDERHANAAN BENTUK PENAMPANG SUDU TERHADAP EFFISIENSI TURBIN PROPELLER Authors Marfizal Program Studi Teknik Mesin, Fakultas teknik Universitas Andalas Email:marfizal65@gmail.com Abstrak—Perserikatan bangsa-bangsa memperkirakan bahwa 1 miliar penduduk dunia yang akses ke listrik, memiliki kualitas listrik buruk. Cina memiliki kapasitas terpasang pembangkit listrik tenaga air peringkat pertama di dunia. Perserikatan bangsa-bangsa memperkirakan bahwa 1 miliar penduduk dunia kualitas buruk listrik.. Dari hal di atas 5 negara yang gencar mengembangkan mikrohidro seperti di tampilkan grafik dibawah, dari lima negara seperti Rusia, Amerika, Canada, Brazil, Cina memiliki kapasitas terpasang pembangkit listrik tenaga air peringkat pertama di dunia. Pada tahun 2011, rasio elektrifikasi nasional hanya sebesar 72,95% . Sebanyak 27.05% wilayah di Indonesia belum terjangkau listrik dengan kendala yang beragam, salah satunya karena lokasi yang terpencil sehingga aksesnya sulit. Salah satu usaha yang dapat dilakukan dalam mengatasi masalah kelistrikan tersebut adalah dengan memanfaatkan potensi sumber energi yang ada di sekitar tempat tinggal mayarakat. Salah satu potensi yang mungkin digunakan adalah sumber energi air. Di pedesaan didapatkan bahwa banyak ketersediaan sumber energi air disekitar pemukiman penduduk dengan head dan debit rendah . Pemanfaatan sumber air dengan debit seperti yang disebut diatas, idealnya dilakukan dengan menggunakan sistim pembangkit yang menggunakan turbin jenis propeller. Turbin tersebut selain mahal dan susah untuk di bikin dibandingkan turbin lain yang dapat digunakan untuk head rendah seperti cross flow. Kesulitan pembuatan turbin propeller terutama pada pembuatan rumah dan sudu turbin. Dalam penelitian ini di cari usaha untuk penyederhanaan rumah turbin dan sudu turbin sehingga mudah dibuat. Penyederhanaan rumah turbin dilakukan dengan membuat rumah turbin dari besi pipa dan penyederhanaan sudu turbin dilakukan dengan membuat sudu turbin dengan menghilangkan penampang aerodinamis pada sudu, sehingga sudu dapat dibuat dari pelat baja tanpa melakukan pengecoran seperti yang diperlakukan pada penampang aerodinamis. Untuk melihat pengaruh bentuk penampang aerodinamis dan non aerodinamis terhadap effisiensi akan dilakukan engujian effisiensi Kata Kunci : head rendah, sudu, penyederhanaan, aerodinamis, nonaerodinamis Abstract-The United Nations estimates that 1 billion people worldwide access to electricity, has a poor power quality. China has an installed capacity of hydroelectric power plants ranked first in the world. The United Nations estimates that 1 billion people poor quality of electricity. . From the above five countries are aggressively developing micro hydro as in the graph below show, from five countries such as Russia, USA, Canada, Brazil, China had an installed capacity of hydroelectric power plants ranked first in the world. In 2011, the national electrification ratio only amounted to 72.95% . A total of 27.05% in Indonesian territory has not reached by electricity with diverse obstacles, either because the remote location so that access is difficult. One attempt to do to resolve the electricity problem is to exploit the potential of existing energy sources around the residence society. One of the potential that may be used is the energy source of water. From a survey conducted in rural . showed that much of the energy sources of water around settlements with head and low discharge. Utilization of water sources with discharge as described above, ideally performed by using a system that uses a generator turbine type propeller. The turbine in addition to expensive and difficult to make than in the other turbines that can be used for low head like a cross flow. The difficulty of making a turbine propeller especially at home and turbine blade manufacture. In this research in the search effort for simplification of the turbine casing and turbine blades so easily made. Simplification of the turbine casing is done by making the turbine casing of iron pipes and simplification of turbine blades is done by making a turbine blade by removing an aerodynamic cross-section of the blade, so the blade can be made of steel plate without casting as treated on an aerodynamic cross-section. Keywords : low head, blade, simplification,aerodinamic, non aerodinamic, I. PENDAHULUAN Pemanfaatan sumber energi air seperti yang disebut di atas, idealnya dilakukan dengan menggunakan sistim pembangkit yang menggunakan turbin jenis propeler. Turbin tersebut selain mahal dan susah untuk dibuat dibandingkan turbin lain yang dapat digunakan untuk head rendah seperti cross flow. Kesulitan pembuatan turbin propeler terutama pada pembuatan konstruksi rumah dan sudu turbin yang biayanya cukup mahal dan tidak terjangkau oleh masyarakat pedesaan. Maka dari itu dilakukan suatu usaha terhadapa penyederhanaan turbin. Penyederhanaan sudu turbin dilakukan dengan menghilangkan penampang aerodinamis pada sudu dan mengganti dengan penapang persegi panjang. Untuk menganalisa pengaruh bentuk sudu terhadap efisiensi, dalam penelitian ini dibuat dan dirancang tiga macam sudu. Sudu berpenampang aerodinamis dan sudu yang berpenampang persegi dengan ketebalan 3 mm tanpa kelengkungan, sudu yang berpenampang persegi dengan ketebalan 2 mm dengan kelengkungan (camber). Namun harus. Dilakukan analisis terhadap efisiensi turbin propeler akibat penyederhanaan penampang sudu persegi dibandingkan dengan penampang aerodinamis. ada beberapa peneliti terdahulu tentang pengembangkan teknologi mikrohidro : Flaspohler [1], melakukan penlitian terhadap pembangkit dengan debit besar 3 m3/s dan Head 3,7 m dengan jenis sumbu poros vertikal. Pada turbin tersebut proses pembuatan sudu agak rumit dikarenakan kemiringan sudu dapat divariasikan. Instalasi turbin yang di disain permanen, memerlukan rumah turbin dan bendungan yang mengakibatkan biaya produksi tinggi. Pribadyo & Ahmad [2]. Bekerja pada Debit 0,07 m3/s, Head kotor (H) = 3,5 m dengan sumbu pertikal, berat poros sudu dan dinamo terpusat pada bantalan dengan posisi propeler berada sebelum draft tube dan transmisi daya menggunakan transmisi sabuk, pada biaya produksi cukup tinggi karena instalasi memerlukan rumah turbin dan bendungan yang mengakibatkan biaya produksi tinggi. Robert & Arthur [3]. mendisain turbin jenis propeler head 2 - 10m dan debit aliran 460 l/s serta daya yang dihasilkan 5 kW, dengan sumbu pertikal, berat poros sudu dan dinamo terpusat pada bantalan, rumah turbin yang di disainya adalah menggunakan rumah keong. Ho-Yan & Bryan Patrick [4] , mendisain tubin propeler jenis, untuk head 2 meter dan debit 25 l/s dan daya 363 watt, dia melakukan penelitian khusus pada sudu turbinya saja yang terbuat dari besi bekas, dimana hub turbin terbuat dari besi pipa sedang sudu dibuat dari besi plat yang dilas ke hub. Eddy Permadi [5] di cimahi jawa barat mengembangkan turbin jenis turbo propeler dengan tipe sumbu poros horizontal dengan sistim transmisi daya menggunakan transmisi sabuk, dengan head 14 meter dengan output daya 73 kW Gupta Harikishan (state of the art) [6], telah membuktikan tentang effisiensi turbin dalam penelitiannya bahwa efisiensi rotor bisa sangat tinggi, setidaknya sama dengan yang dicapai oleh rotor konvensional .dia telah membuktikan sangat sulit untuk mencapai efisien nozel dalam kasus turbin. Pemanfaatan sumber energi air seperti yang disebut di atas, idealnya dilakukan dengan menggunakan sistim pembangkit yang menggunakan turbin jenis propeler. Turbin tersebut selain mahal dan susah untuk dibuat dibandingkan turbin lain yang dapat digunakan untuk head rendah seperti cross flow. Kesulitan pembuatan turbin propeler terutama pada pembuatan konstruksi rumah dan sudu turbin yang biayanya cukup mahal dan tidak terjangkau oleh masyarakat pedesaan. Dari itu perlunya suatu usaha untuk mengurangi biaya awal dalam proses rancangan, beberapa langkah pemotongan biaya dapat dilakukan, Dragu, C (state of the art) [7], biaya perawatan serendah mungkin, menggunakan tenaga kerja lokal, penggunaan material lokal sebanyak mungkin, membangun beberapa peralatan secara lokal, tidak mencari keuntungan besar, meminimalkan penggunaan tenaga ahli dalam pengawasan. II. Metodologi Penelitian Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head adalah beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar dari turbin air. Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi potensial air yaitu : OBJEK PENELITIAN Dalam penelitian ini ada 3 jenis sudu turbin propeller : Sudu dengan Aerodinamis, Sudu dari Plat 2 mm dengan Kelengkungan, Sudu dari Plat 3mm tanpa Kelengkungan. Gambar 2. Sudu dengan Aerodinamis Perhitungan Daya Keluaran Turbin. Setelah debit dan head diketahui, maka untuk menghitung besarnya daya yang dapat dihasilkan berikut: Gambar 3. Sudu dari Plat 2mm dengan Kelengkungan (1) Effisiensi Turbin Merupakan antara perbandingan daya yang dihasilkan turbin dibandingkan denagn daya fluida. = Pm/Pf III. (2) Gambar 4. Sudu dari Plat 3mm tanpa Kelengkungan METODOLOGI Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan metode penelitian eksperimental (eksperimental research) yaitu melakukan pengamatan untuk mencari data sebab akibat dalam suatu proses melalui eksperimen sehingga dapat mengetahui pengaruh bentuk peenampang sudu terhadap effisiensi turbin. Alat dan Bahan Alat dan bahan yang di gunakan dalam pengujian ini antara lain : 1. Satu unit turbin propeler hasil desain LAY OUT PENGUJIAN. Gambar 3.5 Turbin Uji` 2. Gambar 1. Lay Out Pengujian Satu unit pompa sebagai sumber enrgi tekan untuk menggerakan propeler dengan merek hitachi Q= 1.25 m3/s ,daya 3,7 kW dengan head 13 m 6. Tachometer untuk mengukur putaran yang terjadi pada poros turbin Gambar 3.6 Spesifikasi Pompa 3. Gambar 3.10. Tachometer Weir meter berfungsi untuk menentukan debit dan laju aliran fluida yang mengalir Parameter Pengujian ke saluran masuk turbin. Pada pengujian ini yang akan diamati adalah : 1. Parameter debit aliran ( Q ). 2. Parameter putaran poros turbin (rpm). 3. Parameter beban (kg) yang diberikan poros turbin. 4. Parameter daya hidrolik turbin, daya poros serta effisiensi turbin. Gambar 3.7 Weirmeter 4. Neraca pegas berfungi untuk mengukur 5. Parameter tekanan masuk (P) torsi yang terjadi pada poros turbin melalui pembebanan yang diberikan pada poros IV. HASIL DAN PEMBAHASAN turbin Grafik Debit Vs Efisiensi 40 35 5. Presure gauge untuk mengukur tekanan keluar pompa dan tekanan fluida masuk pompa 30 Effisiensi % Gambar 3.8. Neraca Pegas 33,81 27,01 23,76 25 20 18,25 15 13,69 11,47 10 7,94 7,22 4,09 0,85 5 0 0 Gambar 3.9. Presure gauge 0,02 0,04 Efisiensi Impeller Airfoil Efisiensi Impeller Airfoil Plat 2mm Efisiensi Impeller Non Airfoil Plat 3mm Debit m3/s (Q/Qo) dari besi plat 2 mm yang dapat dibentuk kelengkungan sudunya Grafik Debit Vs Efisiensi 40 35 33,81 30 Efisiensi % 27,01 25 23,76 20 Efisiensi Impeller Airfoil Plat 2mm 18,25 15 13,69 11,47 10 7,94 5 3,19 1,48 0 10 11 12 Efisiensi Impeller Airfoil Efisiensi Impeller Non Airfoil Plat 3mm 13 Head (m) V. PEMBAHASAN Dari grafik diatas di jelaskan bahwa effisiesi tertinggi pada head 12 dan head terendah 10.35 m. pada sudu yang berpenampang aerodinamis yang proses pembuatannya melalui proses pengecoran mempunyai effisiensi sebesar 33,81 % pada head 12,04m, kemudian sudu terbuat dari besi plat 2 mm yang dapat dibentuk kelengkungan sudunya efisiensinya 27, 01, effisiensi nya turun lebih kurang 6 % ,sedangkan efisiensi dari sudu yang terbuat dari besi plat 3 mm yang cukup tebal dan susah dibengkok untuk membuat kelengkungan sudunya, effisiensinya menurun 22 % dari sudu yang berpenampang aerodinamik yaitu 11,47 %. Dapat disimpulkan bahwa untuk mengisi kekurangan listrik di pedesaan dapat di rekomendasikan kemudian sudu terbuat 7.1. Pembahasanan 1. Sudu dengan aerodinamis Dari pengujian sudu yang mempunyai bentuk airo dinamis memiliki effisiensi yang cukup tinggi karena pada sudu memiliki gaya angkat (lift) dan gaya seret (drag). Apabila sebuah bidang datar yang membentuk sudut terhadap arah datangnya fluida akan menghasilkan lift yang besar dan menyebab kan drag yang kecil sehingga daya yang diporel naik dan effisiensinya ikut naik menjadi sebesar 33,81% . 2. Sudu Tanpa Aerodinamis Terbuat Dari Plat 3 Mm Namun lain halnya pada sudu yang berpenampang persegi yang terbuat dari plat 3 mm tanpa aerodinamis effisiensi 11,47 %, meskipun plat datar dapat menghasilkan lift, tetapi udara yang lewat diatasnya mempunyai kecenderungan untuk separasi (memisahkan diri) dari permukaan sehingga mengganggu aliran. Oleh karena itu akan teriadi pengurangan lift dan penambahan drag yang besar sehingga daya hidrolik berkurang menyebabkan penurunan efisiensi yang cukup besar. 3. Sudu Tanpa Aerodinamis Terbuat Dari Plat 2 mm dengan kelengkungan. Namun untuk sudu yang melengkung (rcamber) menjadikan aliran fluida akan tetap menempel pada permukaan, sehingga terjadi penambahan lift dan pengurangan drag hal ini akan terjadi penambahan daya hydrolik. Pada pada sudu yang terbuat dari plat 2 mm yang memiliki kelengkungan dengan efisiensi menaingkat menjadi 27,01 %,. efisensinya naik dibandingkan sudu yang terbuat dari plat 3 mm yang tidak memiliki kelengkungan (camber). BIODATA Nama Lengkap (dengan gelar) Jabatan Fungsional NIP/NIK/No. identitas lainnya Tempat dan Tanggal Lahir Alamat Rumah Nomor Telepon/Faks Nomor HP Alamat Kantor [4] Low Head Pico Hydro Turbine for : Marfizal,ST Rural Electrification in Cameroon, : : - : Talang Tan Saidi / 22 [5] Februari 1973 Jalan Nusa Indah II No 14 RT 32 Kel.Simpang [6] IV Sipin Kota Jambi 081363421800 Jalan Kapten Pattimura No 100 Kel Rawasari Kota Jambi (0741)62626 Marfizal65@gmail.co m Teknik Mesin (Konversi Energi) : : : : Nomor Telepon/Faks Alamat e-mail : : Bidang Keilmuan : Canada 2012 DAFTAR PUSTAKA [1] JFlaspöhler. T (2007). Design of the runner of a Kaplan turbine for small hydroelectric power plant, University of Applied Sciences, Mechanical engineering Department [2] Pribadyo, R dan Ahmad, S (2006). Perencanaan Dan Pengujian Turbin Propeller Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (Pltmh) Head Rendah, Universitas Teuku Umar, Banda Aceh [3] Bryan Patrick Ho-Yan, Design of a Robert .S and Arthur. W (2011), Design of propeller turbines for pico hydro, Notingham, UK. Edi Permadi (2012), Desain Turbin turbo propeller, hanjuang, Jawa barat Gupta and Harikishan, (2013). Design Operation of Tesla Turbo machine - A state of the art review, K. L. University, India