Vol. 1, No. 2, Mei 2010
ISSN : 2085-8817
DINAMIKA Jurnal Ilmiah Teknik Mesin KINERJA TURBIN AIR TIPE DARRIEUS DENGAN SUDU HYDROFOIL STANDAR NACA 6512 Muhammad Irsyad Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung email:
[email protected]
Abstrak Penelitian ini menguji model turbin air tipe Darrieus dengan sudu hydrofoil berdasarkan standar NACA 6512. Tujuannya untuk mengetahui kinerja turbin air sumbu vertikal berupa torsi dan efisiensi. Model ini di uji pada saluran air tertentu dengan variasi laju aliran air 0.5229 m/s, 0,6807 m/s, dan 0,858 m/s serta variasi diameter turbin yaitu; 28 cm, 32 cm, 36 cm dan 40 cm. Nilai torsi dan efisiensi aktual (hasil pengujian) dibandingkan dengan torsi dan efisiensi teoritik. Nilai Torsi aktual dan teoritik berbanding lurus dengan diameter turbin dan laju aliran. Torsi terbesar terjadi pada diameter turbin 40 cm dan laju aliran 0,858 m/s sebesar 0.7618 Nm (aktual). Sedangkan nilai effisiensi aktual terbesar yaitu pada diameter 40 dan laju aliran 0.858 m/s sebesar 14.7 %. Kata kunci: Turbin air, darrieus, hidrokinetik, hydrofoil, NACA 6512
Abstract Performance Of Darrieus Water Turbine With Hydrofoil Blades Naca 6512. This research tested the model i.e the Darrieus water turbine with hydrofoil blades NACA 6512l. The objective was to estimate the performance of vertical axis water turbine in the form of torque and efficiency. These models were tested on a specific water channel by varying the water flow rate of 0.5229 m / s, 0.6807 m / s, and 0.858 m / s and the variation of the diameter of the turbine, namely: 28 cm, 32 cm, 36 cm and 40 cm. Torque value and the actual efficiency (test results) were compared to the theoretical torque and efficiency. Actual and theoretical torque value was proportional to the diameter of the turbine and the flow rate. The highest torque turbine diameter 40 cm and a flow rate 0.858 m / s at 0.7618 Nm (actual). While the biggest actual efficiency value is the diameter of 40 m and a flow rate 0858 / s amounted 14.7%. Keywords: turbine, darrieus, hydrokinetic, hydrofoil, NACA 6512
1.
Pendahuluan
Indonesia memiliki potensi energy tenaga air yang sangat besar yakni 75,67 Gwatt untuk skala besar dan 712 Mwatt untuk pembangkit sedang dan kecil. Potensi ini baru sedikit yang dimanfaatkan yakni 4200 Mwatt untuk skala besar dan 206 Mwatt untuk skala kecil [1]. Potensi energi air yang digunakan adalah aliran air yang mempunyai beda ketinggian di atas 2 meter. Aliran sungai yang membentang beberapa wilayah Indonesia belum termanfaatkan dengan baik, termasuk anak sungai dan saluran irigasi, karena tidak memiliki beda ketinggian yang cukup. Potensi energy yang dimiliki adalah energy kinetic dari arus air yang mengalir. Penggunaan sudu jenis Hydrofoil ini karena bentuknya yang seperti sayap pesawat yaitu memiliki karakteristik berbentuk bulat di bagian ujung (leading
edge) yang kemudian tajam di bagian belakang (trailing adge) dengan kelengkungan yang asimetrik sehingga dapat mengurangi gesekan. Selain itu pemilihan hydrofoil ini digunakan sebagai sudu karena efektif dan mudah dalam pembuatanya dan juga cocok untuk aliran datar yang tidak memerlukan air jatuh dengan memanfaatkan energi kinetik. Dalam penelitian ini sudu yang digunakan adalah sudu hydrofoil dengan menngunakan standar NACA 6512 yang memiliki fitur sebagai berikut [2]: 1. Memiliki permukaan cembung atas, dengan bentuk melengkung atas maksimum dari 13,3 persen dari cord, terjadi pada sekitar 36 persen dari tali cord dari tepi terkemuka. 2. Memiliki permukaan yang lebih rendah cekung, dengan bentuk melengkung lebih rendah maksimum 2,4 persen dari cord, terjadi pada sekitar
91
Vol. 1, No. 2, Mei 2010
ISSN : 2085-8817
DINAMIKA Jurnal Ilmiah Teknik Mesin 64 persen dari jarak cord dari tepi terdepan. Dalam beberapa airfoil digunakan dalam baling-baling kipas, dengan permukaan yang lebih rendah daripada rata cekung. 3. Memiliki rasio gaya lift dan drag yang bagus dimana gaya lift dan drag ini digunakan untuk menghitung torsi. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh diameter turbin air sumbu vertikal dan laju aliran air terhadap kinerja turbin air sumbu vertikal sudu Hydrofoil dengan mengguakan standar NACA 6512 berupa torsi dan efisiensi. Selain memanfaatkan air jatuh dapat juga diperoleh dari aliran air datar. Dalam hal ini energi yang tersedia merupakan energi kinetik
E
1 mv 2 2
(1)
P atau dengan
1 Qv 2 2
(2)
menggunakan
persamaan
kontinuitas
Q Av maka
P
1 Av 3 2
(3)
dengan A adalah luas penampang aliran air m
2
Diagram Kecepatan Diagram kecepatan yang di gunakan pada turbin air sumbu vertikal merupakan pendekatan dari turbin udara sumbu vertikal seperti yang terihat pada gambar 5. Dimana resultan vektor kecepatan (W) merupakan jumlah dari vektor kecepatan (v) fluida dan vektor kecepatan sudu (u) [3] [4].
W v r
Dimana v adalah kecepatan aliran air (m/s) Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut :
(4)
u v
L
v
D
u
v D
u L
Gambar 1. Diagram kecepatan pada turbin sumbu vertical
Dari gambar diagram kecepatan pada gambar 1 tersebut dihasilkan kecepatan yang bervariasi yaitu kecepatan maksimum pada θ = 0o kecepatan minimum pada θ = 180o, dimana θ adalah posisi orbital sudu. Angel of attack (sudut serang sudu) adalah sudut antara resultan vektor kecepatan (W), dan vektor
92
kecepatan sudu. Pertimbangan-pertimbangan geometris, resultan kecepatan vektor dan angel of attack dihitung sebagai berikut :
W v 1 2 cos 2
(5)
Vol. 1, No. 2, Mei 2010
ISSN : 2085-8817
DINAMIKA Jurnal Ilmiah Teknik Mesin sin tan 1 cos
(6)
Pb ω T
= daya poros (watt) = kecepatan putaran (rad/s) = Torsi (Nm)
Dimana Hydrofoil
r u
(7)
Dimana W v u λ r ω
= resultan vektor kecepatan (m/s) = kecepatan fluida (m/s) = kecepatan sudu (m/s) = tip speed ratio = jari-jari turbin (m) = kecepatan putaran (rad/s) Gaya aerodinamis yang dihasilkan adalah lift (fl) dan drag (fd) atau normal (fn) dan tangensial (ft). Dimana Lift dan Drag dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut:
Fd
1 Cdv 2 A 2
Fl
1 Clv 2 A 2
(8) Gambar 2. Bentuk Hydrofoil (9) Tip Speed Ratio (λ) Tip speed ratio (λ) atau biasa di sebut tsr adalah adalah rasio antara pemutaran kecepatan dari ujung blade dan kecepatan aktual air.
Dimana Cd = koefisien drag Cl = koefisian lift ρ = kerapatan
(kg/m3)
v = kecepatan fluida
(m/s)
A = luas penampang
Hydrofoil adalah sebuah bentuk yang menyerupai sayap burung (pipih), dengan bagian depan tumpul seperti yang terliha pada gambar 2. Hydrofoil ini biasanya di gunakan sebagai peningkat kecepatan pada kapal laut yang diletakkan di bawah lambung kapal, karena hydrofoil dapat menghasilkan gaya angkat sehingga lambung kapal terangkat dan keluar dari air. Hal inilah yang menyebabkan pengurangan gesekan sehingga dapat meningkatkan kecepatan. Ada dua penamaan pad foil ini yaitu pada pendisainan untuk udara disebut airfoil sedangkan untuk air disebut hydrofoil [5].
Tip speed ratio ( )
tip speed of blade (12) v
dimana v adalah Kecepatan aliran air Nnilai Tip speed ratio (λ)max terjadi pada;
2
(m )
Dengan memproyeksikan gaya lift dan drag sebagai gaya yang tegak lurus terhadap lengan (jari-
Tip speed ratio ( ) max
4 b
(13)
dimana b adalah jumlah blade (sudu)
jari)turin, maka selanjutnya dapat diketahui nilai torsi (T) dengan menggunakan persmaan sebagai berikut:
T F .r ( Fd . cos Fl . sin ) r
(10)
Dalam hal ini nilai Tip speed ratio yang paling efisiensi tinggi yaitu pada jumlah blad (sudu) tiga dengan nilai Tip speed ratio 6-7 seperti terlihat pada gambar 9 [6].
Dimana: T F r
= torsi (Nm) = gaya tegak lurus terhadap lengan (N) = jari-jari (m)
Selanjutnya dari persamaan 10 dapat di ketahui daya poros dengan menggunakan persamaan sebagai berikut: (11) Pb T Dimana:
Gambar 3. Nilai tip speed ratio
93
Vol. 1, No. 2, Mei 2010
ISSN : 2085-8817
DINAMIKA Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Efisiensi Turbin Efisiensi turbin didefinisikan sebagai:
daya yang dihasilkan turbin daya yang tersedia pada sudu penggerak
2.
Metode Penelitian
darrieus, dimana Sudu turbin bentuk hydrofoil dengan jumlah sudu tiga buah yang mempunyai panjang 23 cm, lebar 10 cm, dan ketebalan sebagai berikut (berdasarkan Standar bentuk airfoil NACA No. 6512) . Parameter yang diukur adalah torsi, dan putaran turbin untuk variasi laju aliran air 0.5229 m/s, 0,6807 m/s, dan 0,858 m/s serta variasi diameter turbin yaitu; 28 cm, 32 cm, 36 cm dan 40 cm. Berikut ini gambar alat uji.
Penelitian dilakukan pada saluran airdengan dimensi lebar 190 cm, tinggi 50 cm. Turbin yang digunakan tipe
1 2
3
Keterangan : 1. Sudu hydrofoil 2. Saluran air 3. Lengan penyangga sudu
Gambar 4. Skema alat uji
3.
Hasil dan Pembahasan
Data hasil penelitian, berupa putaran dan torsi untuk setiap peubahan kecepatan dan diameter turbin, digunakan untuk menghitung daya dan efisiensi turbin. Hasil pengujian ini kemudian dibandingkan dengan perhitungan secara teoritik. Putaran turbin bertambah seiring dengan kenaikan kecepatan. Pengaruh diameter turbin terhadap putaran tidak terlalu besar. Putaran terbesar di hasilkan pada laju aliran 0.858 m/s dengan diameter 28 cm dengan nilai putaran 58.48 rpm seperti yang terlihat pada grafik gambar 5.
94
Gambar 5. Grafik hubungan laju aliran dan diameter tehadap putaran (aktual)
Vol. 1, No. 2, Mei 2010
ISSN : 2085-8817
DINAMIKA Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Hubungan laju aliran dan diameter terhadap torsi teoritik dan aktual menunjukkan hubungan yang sama yaitu hubungan berbanding lurus. Torsi teoritik merupakan rata-rata torsi yang dihasilkan dari setiap perubahan posisi sudu sebesar 10o. Nilai torsi berubah untuk setiap peubahan posisi sampa setengah putaran. Kondisis ini sama dengan yang dihasilkan oleh penelitian Jeronimo Zanette [7] [8]. Nilai torsi terkecil terjadi pada diameter 28 dan laju aliran 0.5229 m/s dengan nilai torsi aktual 0.1414 Nm sedangkan nilai torsi teoritik 0.334 Nm dan nilai torsi terbesar terjadi pada diameter 40 cm dan laju aliran 0.858 m/s torsi aktual mempunyai nilai 0.7618 Nm sedangkan torsi teoritik mempunyai nilai 0.890 Nm. Walaupun memiliki besar nilai yang berbeda dimana nilai torsi teoritik lebih besar dibandingkan nilai torsi aktual, namun kecendrungan yang diperlihatkan pada kedua grafik tersebut menunjukkan kecenderungan yang sama . Meningkatnya torsi disebabkan oleh meningkatnya gaya pada sudu. Peningkatan kecepatan fluida akan memperbesar gaya hambat dan gaya seret, sehingga gaya yang bekerja pada sudu menjadi naik. Bertambahnya diameter turbin artinya memperpanjang lengan, sehingga torsi yang dihasilkan semakin besar.
berbanding lurus dimana daya poros terbesar sama-sama pada posisi diameter 40 cm dan laju aliran 0.858 m/s dan daya poros terkecil juga sama-sama pada posisi diameter 28 dan laju aliran 0.5229 m/s. Perbedaan hasil yang diperoleh pada laju aliran 0.6807 m/s tersebut masih dapat diabaikan, karena pada 2 variabel yang lain menunjukkan hasil positif yaitu diameter dan laju aliran terhadap daya poros berbanding lurus, hal ini juga menunjukkan adanya korelasi antara daya poros dengan torsi dimana daya poros dihasilakan dari perkalian torsi dan kecepatan putar (Pb = T.ω)
Gambar 7. Grafik Perbadingan teoritik dan aktual pada laju aliran dan diameter terhadap daya poros Gambar 6. Grafik Perbadingan teoritik dan aktual pada laju aliran dan diameter terhadap torsi Pada gambar 7. dapat di liihat bahwa hubungan diameter dan laju aliran terhadap daya poros teoritik dan aktual menunujukkan hubungan yang liner atau
Dari gambar 8. diketahui efisiensi bahwa berdasarkan variasi laju aliran menunjukkan hubungan yang berbanding lurus dimana semakin besar laju aliran efisiensi semakin besar, namun berdasarkan diameter menunjukkan hubungan yang berbanding terbalik
95
Vol. 1, No. 2, Mei 2010
ISSN : 2085-8817
DINAMIKA Jurnal Ilmiah Teknik Mesin dimana semakin besar diameter nilai efisiensi semakin kecil. Hal ini disebabkan oleh daya air pada turbin diameter yang lebih besar tidak temanfaatkan dengan optimal.
terendam penuh cocok untuk aliran sungai yang dalam dan juga di laut dengan memanfaatkan energi tidal.
4.
Kesimpulan
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan diperoleh kesimpulan sebagai berikut: 1. Hubungan diameter dan laju aliran terhadap torsi adalah berbanding lurus. Dimana nilai torsi terbesar aktual dan teoritik di peroleh pada dimeter 40 cm dan laju aliran 0.858 m/s dengan nilai torsi 0.7618 Nm (aktual) dan 0.890 Nm (teoritik). 2. Hubungan diameter dan laju aliran terhadap daya poros adalah berbanding lurus. Dimana nilai daya poros terbesar aktual dan teoritik di peroleh pada diameter 40 cm laju aliran 0.858 m/s dengan nilai daya poros 4.27379 watt (aktual) dan 4.990838 watt (teoritik). 3. Nilai effisiensi aktual terbesar yaitu pada diameter 40 dan laju aliran 0.858 m/s dengan nilai effisiensi 14.7 %. Nilai effisiensi teoritik terbesar yiatu pada diameter 28 cm dan laju aliran 0.858 m/s dengan nilai effisiensi 24.09897 %.
Daftar Pustaka [1]
[2]
[3]
[4] Gambar 8. Grafik Perbadingan teoritik dan aktual pada laju aliran dan diameter terhadap efisiensi [5] Efisiensi yang diperoleh pada penelitian ini mendekati sama dengan kincir air undershot yaitu 20% [9]. Perlu diketahui kincir air undershot merupakan kincir air yang memanfaatkan aliran datar perbedaan dengan turbin pada penelitian ini adalah pada kincir air undershot baling hanya terendam sebagian prinsipnya sama dengan turbin pelton dan cocok pada aliran dangkal, sedangkan pada penelitian ini sudu turbin
96
[6]
[7]
Agus Mulyantono, Tonny. 2005. Penggunaan Energi Alternatif untuk Tenaga Listrik. PLN. Bandung National Advisory Committee for aeronautika. 15 Juli 2009. Wikimedia Foundation, Inc. 6 Agustus 2009. http://en.wikipedia.org/wiki/National_Advisory _Committee_for_Aeronautics Vertical axis wind turbine. 9 Juli 2009. Wikimedia Foundation, Inc. 12 juli 2009. http://en.wikipedia.org/wiki/Vertical_axis_wind _turbine.html Ardianto, T. 2008. Perancangan, Pembuatan Dan Pengujian Turbin Angin Tipe H Untuk Penerangan Billboard. Program Studi Teknik Mesin –Fakultas Teknik Mesin Dan Dirgantara. Intitut Teknologi Bandung. Hidrofoil. 17 Januari 2009. Wikimedia Foundation, Inc. 7 februari 2009. http://en.wikipedia.org/wiki/Hidrofoil.html Tip Speed Ratio. 5 May 209. Wikimedia Foundation, Inc. 23 juli 2009. http://en.wikipedia.org/wiki/Tip_speed_ratio.ht ml Zanette, J., Imbault,D., Taurabi, A., 2007, Fluid Structure Ineractionan Design ofWater Current Turbine, Proceedings of the 2nd IAHR
Vol. 1, No. 2, Mei 2010
ISSN : 2085-8817
DINAMIKA Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
[8]
[9]
International Meeting of the Workgroup on Cavitation and Dynamic Problems in Hydraulic Machinery and Systems Shimokawa, K., Furukawa, A., Okuma, K., Matsushita, D., and Watanabe, S., 2010, Sidewall effect of runner casing on performance of Darrieus-type hydro turbine with inlet nozzle for extra-low head utilization, Science China Technological Sciences, Vol. 53 No.1: 93−99 Plappally, A. K. Micro Hydro Wheel TurboPump For Canal Based Irrigation & Generation Of Electricity In Indo-Gangetic Plains. Project Assistant IIT/CIMMYT. 22 September 2009. http://www.rwc.cgiar.org/Research/Waterwh eel/IFAD_waterwheel.pdf
97
