Mekanika Jurnal Teknik Mesin, Volume 1 No. 1, 2015
KAJI EKSPERIMENTAL PENGARUH VARIASI DIAMETER NOZZEL DAN JUMLAH SUDU TERHADAP DAYA DAN EFFISIENSI PADA PROTOTYPE TURBIN PELTON DI LAB. FLUIDA Supardi1,Moh. Ridwan2 Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas 17 Agustus 1945 Surabaya
Abstrak Review of experimental effect of variations in the diameter of the nozzle and the amount of bucket on the power and the efficiency on prototype pelton turbine in the Lab. Fluid. The aim of this study wants to know the effect of variations in the diameter of the nozzle and amount of the bucket to the power and efficiency of the existing pelton turbine prototype in the laboratory Fluid in the Pico-hydro scale. The steps in this research include the study of literature and field studies, designing, manufacturing of test equipment, testing, data analysis, and conclusions. Variation is done using nozzle diameter (dn) 6 mm and 9 mm, β 2 at 165o, amount of bucket (Z) 12 units, 17 units, and 22 units. For the runner has a large diameter of 150 mm, while for the power plants or generators using spool and magnet on motorcycles. Results of this testing is the largest input power (P in) at dn 6 mm with a value of 46.81 watts. The largest turbine power (Pt) and turbine efficiency (ηt) at dn = 6 mm with Z = 12 unit with value Pt = 40,34 watt and ηt =86,18 watt. The largest generator power (Pgen) at dn = 6 mm with Z = 22 unit with value 9,6 watt, meanwhile for the largest generator efficiency (ηgen) and the largest efficiency system (ηsis) at dn = 9 mm with Z = 22 unit with value ηgen = 54,24 % and ηsis = 25,82 %. Keywords: Pelton Turbine, Bucket, Nozzle, Power and Efficiency
I. PENDAHULUAN Dengan keadaan geografis daerah-daerah di Indonesia yang banyak memiliki potensi air dengan head yang memadai untuk pembangkit berskala kecil, maka perlu adanyapengembangan teknologi pembangkit berskala kecil yang biasa dikenal sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH). PLTMH terdiri dari komponen utama yaitu reservoir atau tandon air, nosel, turbin air (sudu dan piringan), generator listrik, dan instalasi perpipaan. Turbin air merupakan salah satu alat yang mengubah energi kinetik dari aliran air dengan kecepatan tinggi melalui lubang nosel yang menyemprotkan air tepat pada sudu – sudu pada Turbin sehingga menghasilkan energi mekanik berupa putaran pada runner turbin. Energi mekanik ini kemudian digunakan untuk memutar generator dengan cara disambung secara langsung atau melalui perbandingan roda gigi,sehingga dapat menghasilkan listrik. Turbin air yang biasa digunakan adalah jenis impuls, salah satunya adalah turbin pelton yang pertama kali dibuat oleh Alan Lester Pelton pada tahun 1875. Runner turbin pelton pada dasarnya terdiri atas cakram dan sejumlah sudu yang terpasang disekelilingnya dengan sambungan mur-baut. Satu bilah sudu biasanya terdiri dari 2 buah mangkuk sudu (bucket) dengan jumlah sudu yang tertentu. Bagian tengah dari kedua bentuk sudu tersebut mempunyai penyekat yang berfungsi sebagai pemecah aliran air dari nosel (jet) sehingga aliran buang setelah menumbuk sudu terbelokkan agar tidak mengganggu gerakan sudu-sudu yang lain.
Selama ini penggunaan jumlah sudu pada Turbin Pelton berbeda – beda tergantung dari kondisi masing – masing yang mempengaruhi jumlah sudu. Untuk mengetahui seberapa besar pengaruh perubahan jumlah sudu terhadap peforma yang dihasilkan dari turbin pelton maka perlu dilakukan penelitian mengenai perubahan jumlah sudu terhadap daya yang dihasilkan. Beberapa penelitian telah dilakukan mengenai Turbin Pelton, salah satunya adalah penelitian mengenai “Studi Experimental Penentuan Karakteristik dari Redesign Model Turbin Pelton” oleh Rudi Teguh.H pada tahun 2006. Dalam penelitian pada Turbin Peltonnya hanya menggunakan variasi debit dan berhenti pada daya dan effisiensi turbin. Untuk pembebanan digunakan pembebanan pengeriman. Salah satu tujuan penelitianya adalah ingin membuat alat uji laboratorium yang ada di Lab.Fluida Universitas 17 Agustus Surabaya. Untuk saat ini alat tersebut dalam kondisi rusak atau tidak bisa digunakan. Berawal dari itu, penulis ingin mengembangkan alat uji Turbin Pelton tersebut. Sedikit berbeda dengan penelitian yang dilakukan sebelumnya, kali ini penulis ingin mengkaji secara eksperimental mengenai pengaruh diameter nosel dan pengaruh jumlah sudu terhadap daya dan effisiensi turbin pelton di Lab Fluida. Dalam penelitian ini Turbin disambung secara langsung ke generator listrik. Untuk kedepannya, alat ini digunakan sebagai alat uji praktikum Turbin Pelton di Lab Fluida Fakultas Teknik Universitas 17 Agustus 1945 Surabaya.
62
Kaji Eksperimental Pengaruh Variasi Diameter Nozzel Dan Jumlah Sudu Terhadap Daya Dan Effisiensi Pada Prototype Turbin Pelton Di Lab. Fluida(Supardi dan Moh. Ridwan) 1. DASAR TEORI 2.1 PengertianDasar Tentang Turbin Air Turbin air berfungsi mengubah energi potensial dari air menjadi energi mekanik yang kemudian dilanjutkan diubahlagi menjadi energi listrik pada generator. Komponen -komponen turbin yang penting adalah sebagai berikut : 1. Nosel (Nozzle): Berfungsi untuk mengarahkan aliran masuk ke sudu, biasanya dapat diatur untuk mengontrol kapasitas aliran yang masuk turbin. 2. Runner : Bagian pada runner ini terdiri dari beberapa jumlah sudu dan piringan. Pada bagian ini terjadi peralihan energi potensial airyang menumbuk sudu yang terikat pada runner dan merubah energi tersebut menjadi energi mekanik 3. Poros turbin : Pada bagian runner turbin terdapat poros turbin yang ditumpu dengan bantalan radial dan bantalan axial. 4. Rumah turbin : Fungsi dari rumah turbin ini adalah sebagai tempat utama turbin dan membatasi pergerakan air agar lebih terarah. 5. Generator Alat ini berfungsi merubah energi mekanik dari poros turbin menjadi energy listrik 6. Sistem Perpipaan : mengalirkan air dari reservoir ke saluran luar menuju rumah Turbin dan dari rumah turbin ke pembuangan atau output. 2.1.1 Turbin Air Berdasarkan Cara Kerjanya a. Turbin aksi atau turbin impuls Turbin aksi atau impuls adalah turbin yang berputar karena adanya gaya impuls dari air. Yang termasuk kedalam turbin jenis ini yaitu turbin pelton. Cara kerja dari Turbin ini adalah merubah semua energi air yang terdiri dari energi potensial, tekan dan kecepatan yang ada menjadi energi kinetik melalui sebuah turbin sehingga menghasilkan energi puntir. b. Turbin reaksi 2.2. Turbin Pelton 2.2.1. Pengenalan Turbin Pelton Turbin pelton merupakan pengembangan dari turbin impuls yang ditemukan oleh S.N.Knight (1872) dan N.J. Colena (1873) denganpasang mangkokmangkok pada roda turbin. Setelah itu turbin impuls dikembangkan oleh orang amerika Lester G. Pelton (1880) yang melakukan perbaikan dengan penerapan mangkok ganda simetris, punggung membelah membagi jet menjadi dua paruh yang sama yang dibalikan menyamping. Pada turbin pelton putaran terjadi akibat pembelokan pada mangkok ganda runner ( Gambar 2.1 ) oleh sebab itu turbin pelton disebut juga sebagai turbin pancaran bebas.
Gambar 2.1 Prinsip dasar mangkok pada turbin pelton 2.2.2 Klasifikasi turbin pelton Ada beberapa jenis turbin pelton menurut posisi turbinnya, yaitu : 1. Turbin Poros Horizontal Turbin ini digunakan untuk head kecil (PLTPH) hingga menengah (PLTMH). Biasanya digunakan 1 – 2 buah nosel. 2. Turbin Poros Vertikal Turbin ini biasanya dilengkapi dengan 4 s/d 6 buah nosel. Sedangkan untuk saluran pipanyadigunakan 1 atau 2 buah pipa 2.3. Perancangan Turbin Pelton Dalam grafik di bawah ini menunjukan hubungan antara Head dengan ns juga jumlah nosel dan kisaran jumlah sudu (D/d). Grafik ini mengatur rancangan turbin pelton secara baku
Grafik 2.1. Kecepatan spesifik (ns) dengan Head (H) Rumus matematis untuk mencari kecepatan spesifik adalah : √
Dimana :
nt Q H
.....(2.1)
= Putaran turbin rencana (rpm) = debit fluida (m3/s) = Head (m)
63
Kaji Eksperimental Pengaruh Variasi Diameter Nozzel Dan Jumlah Sudu Terhadap Daya Dan Effisiensi Pada Prototype Turbin Pelton Di Lab. Fluida(Supardi dan Moh. Ridwan) 2.3. Dimensi Turbin 2.3.1. Nosel (Nozzle) Nosel mempunyai beberapa fungsi yaitu: 1. Meningkatkan daya Turbin. 2. Mengarahkan pancaran air ke sudu turbin. 3. Mengubah tekanan menjadi energi kinetik. 4. Mengatur kapasitas air yang masuk turbin. Dimensi nosel dipengaruhi oleh debit fluida dan head dari fluida tersebut.sedangkan nosel itu sendiri mempengaruhi dimensi dari sudu. Secara umum rumus nosel adalah sebagai berikut : √ .....(2.2) √
Dimana : Q H
= Debit (m3/s) = Head (m)
Gambar 2.3 : Sudu atau bucket Pelton 2.3.3. Geometri Sudu Geometri sudu turbin pelton yang meliputi lebar sudu (B), kedalaman sudu (C), lebar bukaan sudu (M), panjang sudu (L), dan jarak pusat pancaran jet ke ujung sudu (l) secara empiris (Seith & Modi, 1991). Lebar sudu ( ) ............................................ (2.4) Kedalaman sudu ( ) .................................. (2.5) Lebar celah sudu ( ) ................................... (2.6) Panjang sudu ( ) ...................................... (2.7) Jarak pusat pancaran air ke ujung sudu ( ) ....................................... (2.8) Sudut pancaran air masuk sudu β1 = 5o s.d 8o .................................................. (2.9) Sudut pancaran air keluar sudu (sudut pantul) β2 = 160o s.d 170o ........................................ (2.10)
Gambar 2.2 : Nosel (Sumber : www.directindustry.com) 2.3.2. Sudu atau Bucket Bucket pelton atau biasa disebut sudu, bentuknya seperti mangkuk yang dibelah dua. Sudu yang terbelah ini berfungsi sebagai pembagi pancaran menjadi dua bagian dan mengarahkan air sisa semprotan dari nosel untuk terbuang kesamping atau tidak menyebar sehingga mengganggu kerja sudu lainnya. Gaya pada bucket ini berasal dari pancaran air yang keluar dari nosel, yang dibalikan setelah membentur sudu, arah aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum, gaya inilah yang disebut gaya impuls Untuk menentukan jumlah sudu atau bucket dapat digunakan persamaan sebagai berikut : √ .....(2.3) Dimana :D = Diameter runner (m) dn = Diameter nosel (m)
Gambar 2.4. Dimensi sudu 2.3.4.
Dimensi runner .....(2.11)
Dimana : u = kecepatan keliling ( m/s ) n = kecepatan poros generator ( rpm ) Sedangkan untuk mencari kecepatan keliling, dapat dicari dengan menggunakan persamaan : .....(2.12) √ Dimana : φ = Konstanta gesekan ( 0,43 – 0,48 ) ( Finnemore and Franzini, 2006 ) g = Percepatan gravitasi (m/s2) H = head ( m )
64
Kaji Eksperimental Pengaruh Variasi Diameter Nozzel Dan Jumlah Sudu Terhadap Daya Dan Effisiensi Pada Prototype Turbin Pelton Di Lab. Fluida(Supardi dan Moh. Ridwan) Gambar 2.5 : Runner (Sumber :
[email protected]) 2.3.5. Kecepatan Relative
(
P1
1
2 1) = (
2 g
P2
2
2
2 g
2)
Persamaan 2.17. Prinsip Bernoulli Dimana : P1 dan P2 : tekanan pada titik 1 dan 2 (N/ ) V1 dan V2 : kecepatan aliran pada titik 1 dan 2 (m/ ) Z1 dan Z2 : perbedaan ketinggian antara titik 1 dan 2 (m) : berat jenis fluida (N/m3) g : percepatan gravitasi (m/ ) Gambar 2.6.Gambar gaya nozzle dan mangkuk Air yang keluar dari nosel dengan kecepatan V1 membentur tepat ditengah sudu memisahkan aliran dan membelokkan kecepatan relativenya (Vr) melalui sudut β2 (gambar 2.4), sehingga menimbulkan suatu gaya pada permukaan sudu. Oleh karena itu, menghasilkan momen gaya untuk memutar turbin. r= 1 ....(2.13) Dimana: V1 : Kecepatan pancaran nozzle (m/s) u : Kecepatan keliling runner (m/s)
Persamaan di atas digunakan jika diasumsikan tidak ada kehilangan energi antara dua titik yang terdapat dalam aliran fluida, namun biasanya beberapa head losses terjadi diantara dua titik. Jika head losses tidak diperhitungkan maka akan menjadi masalah dalam penerapannya di lapangan. Jika head losses dinotasikan dengan “hl” sedangkan head pompa = Hp, maka persamaan Bernoulli di atas dapat ditulis menjadi persamaan baru, dirumuskan sebagai : P1
(
2 1
2 g
1)
Hp = (
P2
2
2
2 g
2)
Hls
.....(2.18)
Gaya (F) yang diberikan pada Sudu adalah: = Q ( 1 - u (1 - cos β2 .................................. (2.14) Dimana : F = Gaya pancaran sudu (N) Vr = Kec. relative fluida terhadap sudu (m/s) V1 = Kecepatan pancaran nozzle (m/s) u
= kecepatan keliling
β2 nt
= Sudut buang sudu (o) = putaran turbin (rpm)
.............(2.15)
2.4. Debit Fluida Cara mengukur debit air salah satunya dengan menggunakan 900 V notch weir. ....(2.16)
Gambar 2.8 : desain turbin pelton (Z2-Z1) 2.6. Daya input system atau daya hidraulis
Dimana :
Q = debit fluida (m3/s) H = Head pompa (m)
....(2.19) Dimana :
= massa jenis air ( 1000 kg/m3 ) Q = debit fluida ( m3/s ) H = head ( m ) g = gravitasi ( m/s2 )
2.7. Effisiensi Turbin Gambar 2.7: 900 V Notch Weir (Sumber : www.expertsmind.com) 2.5. Prinsip Bernoulli Prinsip ini diambil dari nama ilmuwan Belanda/Swiss yang bernama Daniel Bernoulli. Persamaan di atas dapat dinyatakan sebagai berikut:
.....(2.20) Dimana : T : Torsi poros = F . r (N.m) r : Jari-jari runner (m) ω : Kecepatan keliling = ....(2.21)
65
Kaji Eksperimental Pengaruh Variasi Diameter Nozzel Dan Jumlah Sudu Terhadap Daya Dan Effisiensi Pada Prototype Turbin Pelton Di Lab. Fluida(Supardi dan Moh. Ridwan) nt : Putaran poros (rpm) 2.8. Daya listrik P=VxI Atau P = I2R P = V2/R .... (2.22)
Gambar 2.9 : Magnit dan spul pada sepeda motor 2.9.
Efisiensi Generator Efisiensi generator adalah perbandingan antara daya output yang dihasilkan oleh generator dengan daya input yang dihasilkan oleh daya poros turbin.
Dimana : P = Daya Listrik : Watt (W) V = Tegangan Listrik : Volt (V) I = Arus Listrik : Ampere (A) R = Hambatan :Ohm (Ω
....(2.23) Dimana : V : Voltage generator (Volt) I : Kuat arus (Ampere)
METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Flowchart Penelitian
Diagram 3.1 Flowchart Penelitian
66
Kaji Eksperimental Pengaruh Variasi Diameter Nozzel Dan Jumlah Sudu Terhadap Daya Dan Effisiensi Pada Prototype Turbin Pelton Di Lab. Fluida(Supardi dan Moh. Ridwan) 3.1. Variasi Pengujian dan Pengukuran
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil perhitungan menggunakan rumus diatas adalah sebagai berikut
Grafik hasil perhitungan :
67
Kaji Eksperimental Pengaruh Variasi Diameter Nozzel Dan Jumlah Sudu Terhadap Daya Dan Effisiensi Pada Prototype Turbin Pelton Di Lab. Fluida(Supardi dan Moh. Ridwan)
40.3439.59 38.57 28.00 12.9811.85 10.07 8.00 1012141618202224
d Nozzle = 6
Dapat disimpulkan dari grafik 4.3 diatas, daya generator (Pgen) terbesar didapatkan pada diameter nosel (dn) 6 mm dengan jumlah sudu (Z) 22 buah. Hal ini disebabkan oleh kecepatan keliling (u) pada runner yang tinggi menyebabkan putaran generator juga tinggi, putaran padagenerator tersebut yang menyebabkan voltasenya bernilai besar.
Grafik hubungan variasi Jumlah Sudu dengan dnozzle terhadap Effisiensi Generator
d Nozzle = 9
Z (buah) Grafik 4.1 : hubungan varisi Z dengan dn terhadap P turbin Dapat disimpulkan dari grafik 4.1 diatas, daya terbesar terjadi pada jumlah sudu 12 buah dengan diameter nosel 6 mm. Hal Ini terjadi karena gaya air yang menumbuk sudu (F) mempunyai nilai yang paling besar, nilai tersebut dipengaruhi oleh kecepatan realatif (Vr) yakni selisih antara kecepatan air keluar nosel (V1) dengan kecepatan keliling (u). Sehingga pada torsi (T) dan daya Turbin (Pt) nilainya menjadi besar
Eff Generator (%)
Pt (Watt)
Grafik hubungan variasi Jumlah Sudu dengan dnozzle terhadap Daya Turbin
d Nozzle = 9
Grafik 4.2 : hubungan varisi Z dengan dn terhadap η turbin
P Generator (watt
Dapat dilihat pada grafik 4.2 Effisiensi terbesar terjadi pada nosel 9 mm dengan jumlah sudu 12 buah. Hal ini disebabkan oleh perbandingan daya output sebagai daya Turbin (Pt) dengan daya air sebagai daya input
Grafik hubungan variasi Jumlah Sudu dengan dnozzle terhadap Daya Generator 10 8.82 9.489.6 5.3 5.335.46
5 1012141618202224 Z (buah)
d Nozzle =6 d Nozzle =9
Grafik 4.3 : hubungan variasi Z dengan dn terhadap Pgenerator
d Nozzle = 6 d Nozzle = 9
24.89 15.00 21.8723.95 1012141618202224
Grafik 4.4 : hubungan varisi Z dengan dn terhadap η generator
Grafik hubungan variasi Jumlah Sudu dengan dnozzle terhadap Effisiensi Sistem 30.00
Eff sistem (%)
Eff Turbin (%)
Z (buah)
d Nozzle = 6
35.00
54.24 44.99 40.82
Z (buah)
Grafik hubungan variasi Jumlah Sudu dengan dnosel terhadap Effisiensi Turbin 86.18 84.57 82.40 80.00 60.00 61.39 56.0247.60 40.00 10 12 14 16 18 20 22 24
55.00
25.00
25.06 25.2025.82
20.00
d Nozzle = 6
20.51 18.8420.25 15.00 10 12 14 16 18 20 22 24
Z (buah) Grafik 4.5 : hubungan varisi Z dengan dn terhadap η system PENUTUP Kesimpulan Variasi diameter Nosel (dn) dan jumlah sudu (Z) pada pengujian turbin pelton ini berpengaruh terhadap daya dan effisiensi. Pengaruhnya Semakin kecil nilai diameter nosel (dn) yang digunakan, daya input (Pin), daya turbin (Pt , effisiensi turbin (ηt), dan daya generator (Pgen) semakin besar nilainya, sedangkan pada effisiensi generator (ηgen) dan effisiensi system (ηsis) semakin menurun nilainya. Pada variasi jumlah sudu (Z), semakin kecil nilai Z yang digunakan, daya turbin (Pt dan effisiensi turbin (ηt) semakin besar nilainya, sedangkan pada daya generator (P gen),
Kaji Eksperimental Pengaruh Variasi Diameter Nozzel Dan Jumlah Sudu Terhadap Daya Dan Effisiensi Pada Prototype Turbin Pelton Di Lab. Fluida(Supardi dan Moh. Ridwan) effisiensi generator (ηgen dan effisiensi system (ηsis) semakin kecil nilainya. DAFTAR PUSTAKA Adro, Agu 2009 “Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Menggunakan Turbin Pelton”. Laporan Tugas Akhir. Yogyakarta: Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Bono. 2008. “Karakterisasi Daya Turbin Pelton Mikro Dengan Variasi Bentuk Sudu”. Jurnal Penelitian. Yogyakarta : Pascasarjana Universitas Gadah Mada Dugdale. R.H.(1981). Fluid Mechanics. 3rd Edition. George Godwin. Ltd.(Diterjemahkan oleh Priambodo, Ir. Priambodo.(1986). Mekanika Fluida. Edisi; Ketiga. Jakarta. Erlangga.) Giles, Renald V. B.S., M.S. in C.E. (1977). Theory and Problem of Fluid Mechanics and Hidraulics (SI-Metric). 2nd Edition. McGraw-Hill. Inc. (Diterjemahkan oleh Ir. Hermawan Widodo Soemitro.(1990). Mekanika Fluida dan Hidraulika. Edisi; kedua (SI-Metrik). Jakarta.Erlangga.) http://07muchlis.blogspot.com/2012/06/model-sududan-nozel-pada-turbin-pelton.html Streeter, Victor L and Wylie, E. Benjamin.(1985). Fluids Mechanics. 8th Edition. McGraw-Hill. Inc.(Diterjemahkan oleh Prijoko Arko, M.S.E.(1988). Mekanika Fluida. Edisi; Delapan, Jilid 2. Jakarta. Erlangga.) Susatyo, Anjar. 2003. “Perancangan Turbin Pelton”. Jurnal Penelitian. Bandung: Pusat Penelitian Informatika – LIPI Sutomo dkk. 2014. “Eksperimental bentuk sudu turbin pelton setengah silinder pada variasi sudut keluaran untuk pembangkit listrik tenaga picohydro”. Jurnal Penelitian. Madiun: Universitas Merdeka Madiun Teguh, R. Hartono. 2006. “Kajian Eksperimental Penentuan Karakteristik dari Redisgn Model Turbin Pelton di Lab. Fluida”. Laporan Tugas Akhir. Surabaya : Teknik Mesin Universitas 17 Agustus 194 Surabaya.
69
