PENGUJIAN UNJUK KERJA TURBIN CROSSFLOW SKALA LABORATORIUM DENGAN JUMLAH SUDU 20 Muhammad tohari *) , Ir. Husin Ibrahim Lubis, MT
Jurusan Teknik Mesin Sekolah Tinggi Teknik Harapan 2015 *) E-mail :
[email protected] ABSTRAK Turbin Crossflow terdiri dari nosel yang mempunyai penampang berbentuk persegi panjang dengan lengkungan pada bagian penutup atasnya yang berfungsi mengarahkan aliran ke sudu pada runner, sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Pengujian ini bertujuan untuk menganalisa unjuk kerja turbin Crossflow skala laboratorium dengan jumlah sudu 20 pada runner. Langkah yang dilakukan dalam penelitian ini adalah melakukan pengujian untuk mengetahui karakteristik turbin. Turbin yang diuji mempunyai debit air dan tekanan yang konstan (1100 liter/menit dan 0,25 bar). Dari hasil perhitungan diperoleh torsi (T) maksimum 5,9 Nm, daya turbin (PT) maksimum 123,5 Watt dan efisiensi turbin (ηT) maksimum 27,9 % pada pembebanan yang sama 10 kg (F = 98,1 N). Kata kunci : Turbin Crossflow, sudu, Efisiensi Turbin.
ABSTRACT Crossflow turbine consists of a nozzle that has a rectangular cross section with an arch on the cover of it that serves to direct the flow to the runner blades, resulting in the conversion of kinetic energy into mechanical energy. This test aims to analyze the performance of the turbines Crossflow laboratory scale with the number 20 on the runner blade. The first step in this research is doing a testing to determine the characteristics of the turbine. Turbines that have tested the water flow and pressure constant (1100 liters / minute and 0.25 bar). From the calculation of torque (T) maximum 5,9 Nm, the power turbine (PT) maximum of 123,5 Watts and turbine efficiency (ηT) a maximum of 27,9% at the same loading of 10 kg (F = 98.1 N) Keywords : Crossflow turbine, blade, turbine efficiency.
1. PENDAHULUAN Latar Belakang Saat ini turbin crossflow banyak mendapat perhatian karena dapat diaplikasikan pada rentang aliran dan head yang lebih luas. Karakteristik tersebut membuat turbin crossflow banyak digunakan pada pembangkit listrik tenaga air skala kecil. Selain itu turbin crossflow juga mempunyai konstruksi yang sederhana dan ekonomis. Penggunaan turbin ini untuk daya yang sama dapat menghemat biaya pembuatan penggerak mula sampai 50 % dari penggunaan kincir air dengan bahan yang sama. Penghematan ini dapat dicapai karena ukuran turbin crossflow lebih kecil dan lebih kompak dibanding kincir air. Diameter kincir air yakni roda jalan atau runnernya biasanya 2 meter ke atas, tetapi
diameter turbin crossflow dapat dibuat hanya 20 cm saja sehingga bahan-bahan yang dibutuhkan jauh lebih sedikit, itulah sebabnya bisa lebih murah. Demikian juga daya guna atau efisiensi rata-rata turbin ini lebih tinggi dari pada daya guna kincir air. Haimerl, L.A [1] dari hasil pengujian laboratorium yang dilakukan oleh pabrik turbin Ossberger Jerman Barat yang menyimpulkan bahwa daya guna kincir air dari jenis yang paling unggul sekalipun hanya mencapai 70 % sedangkan effisiensi turbin Crossflow mencapai 82 %. Hal ini jelas bahwa turbin crossflow mempunyai tempat yang berbeda untuk turbin ukuran kecil. Sejak munculnya turbin crossflow, banyak kemajuan telah dibuat melalui penelitian melalui metode percobaan
laboratorium terutama pada parameter desain turbin seperti sudut datang, jumlah sudu, rasio diameter runner, lebar Runner, dan lebar nosel. Mackmore dan Merryfield [2] melakukan studi laboratorium yang bertujuan untuk menunjukkan serangkaian hasil pengujian turbin crossflow yang dibuat berdasarkan spesifikasi seperti yang diusulkan oleh Prof. Banki yaitu dengan sudut datang (α1) 160. Secara teoritis diperoleh jumlah sudu 18, tetapi dalam desain pembuatan model mereka menggunakan 20 sudu untuk pengujian kinerja turbin. Mackmore dan Merryfield memperoleh efisiensi 68%. Mereka pada kesimpulannya juga mengatakan, sedikit perubahan pada parameter desain dapat meningkatkan efisiensi yaitu dengan melakukan eksperimen pada jumlah sudu yang berbeda. Studi eksperimental pada jumlah sudu pertama kali dilakukan oleh Khosrowpanah et al. [3] dengan jumlah sudu 10, 15, dan 20 sudu. Mereka menyimpulkan, runner dengan jumlah sudu 15 lebih efisien dibandingkan dengan runner dengan jumlah sudu 10 dan 20. Efisiensi maksimum yang diperoleh 80%. Desai dan Aziz [4] dalam percobaan mereka, melakukan penyelidikan pada jumlah sudu 15, 20, 25, dan 30. Efisiensi tertinggi yaitu 88%, diperoleh pada runner dengan 30 sudu. Sulit untuk menyimpulkan bahwa ini adalah jumlah maksimum sudu untuk efisiensi maksimum, karena runner dengan 30 sudu adalah percobaan terakhir. Secara khusus, Totapally dan Aziz [5] melakukan perbaikan dengan jumlah sudu 25, 30, 35, dan 40. Dari hasil penyelidikan ditemukan efisiensi meningkat dengan meningkatnya jumlah sudu, sekaligus menunjukkan jumlah optimal sudu. Efisiensi maksimum yaitu 92%, diperoleh pada pada runner dengan 35 sudu. Olgun [6] dengan sudut datang 160 dan jumlah sudu 28 memperoleh efisiensi 72%. Kaunda et al. [7] dengan sudut datang yang sama dan jumlah sudu 24 pada turbin corssflow sederhana memperoleh efisiensi 79%. Sammartano et al. [8] dengan sudut datang 220 dan jumlah sudu 35 memperoleh efisiensi 86%. Berdasarkan penelitian yang telah
dilakukan sebelumnya di atas, maka perlu dilakukan pengujian terhadap turbin Crossflow dengan jumlah sudu 28 guna memperoleh unjuk kerja turbin tersebut. Perumusan Masalah Berdasarkan latar belakang di atas maka perumusan masalah dalam penelitian ini adalah bagaimana unjuk kerja turbin Crossflow dengan jumlah sudu 20 jika diberikan variasi beban pengereman? Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini, secara eksperimental guna untuk memperoleh : 1. Daya turbin maksimum. 2. Efisiensi turbin maksimum. 3. Karakteristik turbin Crossflow. Manfaat Penelitian Adapun manfaat dari penelitian ini adalah : 1. Menghasilkan informasi ilmiah dalam pengujian unjuk kerja turbin Crossflow dengan variasi pembebanan terhadap putaran, torsi, daya turbin, dan efisiensi turbin. 2. Sebagai pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi khususnya bidang konversi energi dan energi berkelanjutan. 3. Mahasiswa lainnya yang ingin mengembangkan hasil penelitian ini serta dapat dijadikan sebagai pembanding dalam pembahasan pada topik yang sama. 2. TINJAUAN PUSTAKA Pengertian Dasar Tentang Turbin Air Kata "turbine" ditemukan oleh seorang insinyur Perancis yang bernama Claude Bourdin pada awal abad 19, yang diambil dari terjemahan bahasa Latin dari kata "whirling" (putaran) atau "vortex" (pusaran air). Turbin air ini biasanya digunakan untuk tenaga industri untuk jaringan listrik. Sekarang lebih umum dipakai untuk generator listrik. Turbin kini dimanfaatkan secara luas dan merupakan sumber energi yang dapat diperbaharukan. Dalam pembangkit listrik tenaga air (PLTA) turbin air merupakan peralatan utama selain generator. Turbin adalah sebuah mesin berputar yang mengambil energi dari aliran
fluida. Turbin sederhana memiliki satu bagian yang bergerak, "asembli rotorblade". Fluida yang bergerak menjadikan baling-baling berputar dan menghasilkan energi untuk menggerakkan rotor. Contoh turbin awal adalah kincir angin dan roda air. Perkembangan kincir air menjadi turbin modern membutuhkan jangka waktu yang cukup lama. Perkembangan yang dilakukan dalam waktu revolusi industri menggunakan metode dan prinsip ilmiah. Mereka juga mengembangkan teknologi material dan metode produksi baru pada saat itu. Perbedaan dasar antara turbin air awal dengan kincir air adalah komponen putaran air yang memberikan energi pada poros yang berputar.Komponen tambahan ini memungkinkan turbin dapat memberikan daya yang lebih besar dengan komponenyang lebih kecil.Turbin dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih cepat dan dapat memanfaatkan head yang lebih tinggi. Bagian-bagian Umum Turbin Air Gambar berikut memperlihatkan bagian-bagian umum dari turbin. Untuk semua jenis turbin mempunyai bagian yang tidak jauh berbeda dari turbin lainnya.
Gambar Bagian-bagian Turbin Bagian-bagian turbin tersebut antara lain : a. otor yaitu bagian yang berputar pada sistem yang terdiri dari : udu-sudu berfungsi untuk menerima beban pancaran yang disemprotkanoleh nozzle. oros berfungsi untuk meneruskan
aliran tenaga yang berupa gerak putar yang dihasilkan oleh sudu. antalan berfungsi sebagai perapatperapat komponen-komponen dengan tujuan agar tidak mengalami kebocoran pada sistem. b. tator yaitu bagian yang diam pada sistem yang terdiri dari : ipa pengarah/nozzle berfungsi untuk meneruskan alira fluida sehinggatekanan dan kecepatan alir fluida yang digunakan di dalam sistem besar. umah turbin berfungsi sebagai rumah kedudukan komponen komponen dari turbin. Klasifikasi Turbin Air Dengan kemajuan ilmu Mekanika fluida dan Hidrolika serta memperhatikan sumber energi air yang cukup banyak tersedia di pedesaan akhirnya timbullah perencanaan-perencanaan turbin yang divariasikan terhadap tinggi jatuh ( head ) dan debit air yang tersedia. Dari itu maka masalah turbin air menjadi masalah yang menarik dan menjadi objek penelitian untuk mencari sistim, bentuk dan ukuran yang tepat dalam usaha mendapatkan effisiensi turbin yang maksimum. Pada uraian berikut akan dijelaskan pengklasifikasian turbin air berdasarkan beberapa kriteria. 1. Berdasarkan Model Aliran Air Masuk Runner. Berdasaran model aliran air masuk runner, maka turbin air dapat dibagi menjadi tiga tipe yaitu : A. Turbin Aliran Tangensial Pada kelompok turbin ini posisi air masuk runner dengan arah tangensial atau tegak lurus dengan poros runner R mengakibatkan runner berputar (gambar berikut), contohnya Turbin Pelton dan Turbin Crossflow S
P
B. Turbin Impuls. Turbin Reaksi Turbin reaksi adalah turbin yang memanfaatkan energi potensial untuk menghasilkan energi gerak. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang mebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama memalui sudu. Perbadaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehinnga runner (bagian turbin yang berputar) dapat berputar. Turbin yang bekerja pada berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi. Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin. Adapun jenis-jenis dari turbin reaksi antara lain: c. Turbin Francis Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian keluar. Turbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air masuk secara tangensial. Sudu pengarah pada turbin Francis merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang tepat. Gambar berikut memperlihatkan sketsa dari turbin Francis yang mempunyai bagian-bagian utama antara lain sudu pengarah, casing spiral, Guide vanes, sudu runner, draft-tube. A.
Gambar Turbin Aliran Tangensial (Sumber : Haimerl, L.A., 1960) B.
Turbin Aliran Aksial Pada turbin ini air masuk runner dan keluar runner sejajar dengan poros runner (gambar berikut), Turbin Kaplan atau Propeller adalah salah satu contoh dari tipe turbin ini.
Gambar Model Turbin Aliran Aksial (Sumber : Haimerl, L.A., 1960) C.
Turbin Aliran Aksial-Radial Pada turbin ini air masuk ke dalam runner secara radial dan keluar runner secara aksial sejajar dengan poros (gambar berikut), Turbin Francis adalah termasuk dari jenis turbin ini.
Gambar Model Turbin Aliran Aksial- Radial (Sumber : Haimerl, L.A., 196`0) 2. Berdasarkan Perubahan Momentum Fluida Kerjanya. Dalam hal ini turbin air dapat dibagi atas dua tipe yaitu : A. Turbin Reaksi.
Gambar Sketsa turbin Francis Turbin Kaplan. Tidak berbeda dengan turbin francis, turbin kaplan cara kerjanya menggunakan prinsip reaksi. Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan baling-baling pesawat terbang. b.
Bila baling-baling pesawat terbang berfungsi untuk menghasilkan gaya dorong, roda jalan pada kaplan berfungsi untuk mendapatkan gaya F yaitu gaya putar yang dapat menghasilkan torsi pada poros turbin. Berbeda dengan roda jalan pada francis, sudu-sudu pada roda jalan kaplan dapat diputar posisinya untuk menyesuaikan kondisi beban turbin. Turbin kaplan banyak dipakai pada instalasi pembangkit listrik tenaga air sungai, karena turbin ini mempunyai kelebihan dapat menyesuaikan head yang berubah-ubah sepanjang tahun. Turbin Kaplan dapat beroperasi pada kecepatan tinggi sehingga ukuran roda turbin lebih kecil dan dapat dikopel langsung dengan generator. Pada kondisi pada beban tidak penuh turbin kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi, hal ini dikarenakan sudusudu turbin kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban yang ada. Komponen Utama Turbin Kaplan diperlihatkan pada gambar 2.6, komponen tersebut antara lain rumah spiral, pipa pelepas air, turbin: katup pemandu, runner,poros menghubungkan turbin dengan generator , bantalan poros, kedudukan poros
Gambar Turbin Kaplan B.
Turbin Impuls Turbin Impuls adalah turbin yang memanfaatkan energi potensial air diubah menjadi energi kinetik dengan nozel. Air keluar nozel yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impuls). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls memiliki tekanan yang sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Energi
potensial yang masuk ke nosel akan dirubah menjadi energi kecepatan (kinetik). Adapun jenis-jenis dari turbin impuls antara lain: 1. Turbin Pelton Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Hal ini ditemukan oleh Lester Pelto Allan pada 1870-an. Turbin Pelton adalah turbin yang lebih disukai untuk hidro-listrik, ketika sumber air yang tersedia mempunyai head yang relatif tinggi pada tingkat aliran rendah. Roda Pelton dapat dibuat dalam semua ukuran. Unit terbesar bisa sampai 200 MW. Roda Pelton yang kecil, dapat digunakan untuk menyadap kekuatan dari sungai gunung yang mengalir seperti saluran irigasi. Unit-unit kecil ini dianjurkan digunakan untuk head 30 m atau lebih, untuk menghasilkan tingkat daya yang signifikan. Tergantung pada aliran air dan desain, roda Pelton terbaik beroperasi dengan head dari 15 meter sampai 1.800 meter, meskipun tidak ada batas teoretis. Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran airyang disemprotkan dari satu atau lebih alat yangdisebut nosel. Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah-tengah sudu dan pancaran air tersebut akan berbelok ke kedua arah sehinga bisa membalikkan pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Gambar berikut memperlihatkan skema aliran masuk pada turbin Pelton, dimana air bertekanan tinggi keluar melalui nosel yang mempunyai diameter d dan melintasi sudu-sudu pada runner yang berdiameter D.
Gambar Aliran masuk pada turbin Pelton 2.
Turbin Turgo Turbin Turgo adalah sebuah turbin air jenis impuls yang dirancang untuk head sedang diantara turbin Pelton dan Francis, yang beroperasi pada head 30 m s/d 300 m. Jenis turbin ini dikembangkan pertama kali pada tahun 1919 oleh Gilkes sebagai modifikasi jenis Pelton. Turbin Turgo mempunyai beberapa keunggulan dibandingkan dengan jenis Francis dan Pelton untuk aplikasi tertentu, diantaranya adalah : - pembuatan runner lebih mudah dibangdingkan dengan jenis pelton - tidak memerlukan rumah turbin yang kedap suara seperti turbin francis - memiliki kecepatan spesifik yang lebih tinggi dan dapat menangani aliaran air yang lebih besar dibandingkan dengan turbin pelton pada diameter yang sama. Turbin Turgo dalam pengoperasiannya dapat mencapai efisiensi sekitar 87%. Dalam tes pabrik dan laboratorium Turbin Turgo tampil dengan efisiensi hingga 90%. Bentuk runner Turgo terlihat seperti runner Pelton yang terbelah dua. Untuk kekuatan yang sama, runner Turgo adalah setengah diameter runner Pelton, dan dua kali kecepatan tertentu. Turgo dapat menangani aliran air yang lebih besar dari Pelton karena keluaran air tidak mengganggu sudu yang berdekatan. Komponen dari turbin Turgo diperlihatkan pada gambar berikut yang mempunyai komponen utama antara lain generator, nozzle inlet, dan runner.
Gambar Komponen turbin Turgo
Pemilihan Jenis Turbin Seleksi awal dari pemilihan jenis turbin yang sesuai dengan pengaplikasiannya untuk masing-masing karakteristik turbin air dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu berdasarkan net head (m) VS flow (m³/s), dan berdasarkan Kecepatan Spesifik (Ns) . 1. Berdasarkan net head dan flow Untuk seleksi awal pemilihan jenis turbin berdasarkan ketersediaan debit air dan tinggi air jatuh diperlihatkan pada gambar berikut.
Gambar Pemilihan jenis turbin net head vs flow. Dapat dilihat pada gambar di atas turbin kaplan adalah turbin yang beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi atau bahkan beroperasi pada kapasitas yang sangat rendah. Hal ini karena sudu-sudu turbin kaplan dapat diatur secara manual atau otomatis untuk merespon perubahan kapasitas. Berkebalikan dengan turbin kaplan, turbin pelton adalah turbin yang beroperasi pada head yang tinggi dengan kapasitas yang rendah. Untuk turbin francis mempunyai karakteristik yang berbeda dengan yang lainnya yaitu turbin francis dapat beroperasi pada head yang rendah atau beroperasi pada head yang tinggi. Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang didapatkan dan kurang lebih pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls untuk tempat dengan head tinggi, danturbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head rendah. Turbin Kaplan baik digunakan untuk
semua jenis debit dan head, efisiensinya baik dalam segala aliran. Aplikasi penggunaan turbin berdasarkan tinggi head yang didapatkan adalah sebagai berikut ini: 1. Turbin Kaplan : 2 < H < 100 meter 2. Turbin Francis : 5 < H < 500 meter 3. Turbin Pelton : H < 30 meter 4. Turbin Banki : 2 < H < 200 meter 2. Berdasarkan Kecepatan Spesifik (NS) Seleksi awal dari jenis turbin yang cocok untuk suatu kecepatan paling tepat dilakukan degan menggunakan kecepatan spesifik (Ns). Kecepatan spesifik dipakai sebagai tanda batasan untuk membedakan tipe roda turbin dan dipaki sebagai suatu besaran yang penting dalam merencanakan (desain) turbin air. Persamaan untuk kecepatan spesifik yang didapat dari perimbangan, perbandingan dan penyesuaian perhitungan yang ada secara panjang lebar yang seharusnya ada penurunannya, diganti dengan penggunaannya di dalam contoh perhitungan perhitungan dengan persamaan :
mengerjakan perencanaan dan insinyurinsinyur yang mengerjakannya, sebab dengan diketahuinya harga kecepatan spesifik, maka secara garis besar dapat diketahui pula konstruksi turbin keseluruhannya dan kondisi kerjanya. Pabrik-pabrik turbin air memakai standar pelaksanaannya menurut kecepatan spesifik dan daya yang dihasilkan turbin. Daerah penggunaan jenis-jenis konstruksi turbin diperlihatkan oleh gambar di bawah. Pokok utama pada gambar adalah adanya daerah penggunaan tipe turbin. Tetapi supaya diketahui bahwa pada gambar tersebut di dalam daerah yang dibatasi dengan garis terdapat banyak jenis turbin yang dibuat, jadi sebetulnya garis tersebut sudah bukan merupakan garis batas lagi.
Gambar Daerah penggunaan dari beberapa jenis konstruksi turbin yang berbeda, VOITH, Fritz Dietzel dimana : Ns = kecepatan spesifik turbin (rpm) n = kecepatan putar turbin yang ditentukan (rpm) Q = kapasitas air (m3/s) H = tinggi air jatuh (m) Bila disebutkan, berarti kecepatan spesifik adalah jumlah putaran roda turbin yang bekerja pada tinggi air jatuh H = 1m dan kapasitas air Q = 1 m3/s (dengan jumlah putaran yang tertentu rpm). Dalam pemilihan kecepatan putaran turbin sedapatnya ditentukan setinggi mungkin, karena dengan kecepatan putar yang tinggi akan didapat momen puntir (kopel) yang kecil, poros yang kecil, dan diameter turbin yang kecil serta ukuranukuran bagian-bagian mesin lainnya kecil. Kecepatan spesifik sangat penting untuk konstruktor, seperti untuk yang
Turbin Air Aliran Silang (Crossflow) Turbin Crossflow adalah salah satu turbin air dari jeis turbin aksi (impulse turbine). Prinsip kerja turbin ini mula-mula ditemukan oleh seorang insinyur Australia yang bernama A.G.M. Michell pada tahun 1903. Kemudian turbin ini dikembangkan dan dipatenkan di Jerman Barat oleh Prof. Donat Banki sehingga turbin ini diberi nama Turbin Banki kadang disebut juga Turbin Michell-Ossberger. Pemakaian jenis Turbin Crossflow lebih menguntungkan dibanding dengan pengunaan kincir air maupun jenis turbin mikro hidro lainnya. Penggunaan turbin ini untuk daya yang sama dapat menghemat biaya pembuatan penggerak mula sampai 50 % dari penggunaan kincir air dengan bahan yang sama. Penghematan ini dapat dicapai karena ukuran Turbin Crosfslow lebih kecil
dan lebih kompak dibanding kincir air. Diameter kincir air yakni roda jalan atau runnernya biasanya 2 meter ke atas, tetapi diameter Turbin Crossflow dapat dibuat hanya 20 cm saja sehingga bahan-bahan yang dibutuhkan jauh lebih sedikit, itulah sebabnya bisa lebih murah. Demikian juga daya guna atau effisiensi rata-rata turbin ini lebih tinggi dari pada daya guna kincir air. Hasil pengujian laboratorium yang dilakukan oleh pabrik turbin Ossberger Jerman Barat yang menyimpulkan bahwa daya guna kincir air dari jenis yang paling unggul sekalipun hanya mencapai 70 % sedang effisiensi turbin Crossflow mencapai 82 % ( Haimerl, L.A., 1960 ). Gambar di bawah menjelaskan tentang perbandingan effisiensi dari beberapa turbin konvensional.
Gambar Dua Tipe Turbin Crossflow (Sumber : Haimerl, L.A., 1960)
Gambar Effisiensi Beberapa Turbin dengan Pengurangan Debit Sebagai Variabel (Sumber : Haimerl, L.A., 1960) Dari kurva tersebut ditunjukan hubungan antara effisiensi dengan pengurangan debit akibat pengaturan pembukaan katup yang dinyatakan dalam perbandingan debit terhadap debit maksimumnya.Untuk Turbin Crossflow dengan Q/Qmak = 1 menunjukan effisiensi yang cukup tinggi sekitar 80%, disamping itu untuk perubahan debit sampai dengan Q/Qmak = 0,2 menunjukan harga effisiensi yang relatif tetap ( Meier, Ueli,1981). Turbin Crossflow secara umum dapat dibagi dalam dua tipe ( Meier, Ueli, 1981 ) yaitu : 1.Tipe T1, yaitu Turbin Crossflow kecepatan rendah 2.Tipe T3, yaitu Turbin Crossflow kecepatan tinggi. Kedua tipe turbin tersebut lebih diperlihatkan pada gambar berikut.
Komponen-komponen utama dari turbin crossflow antara lain terdiri dari rotor, rumah turbin, guide vane, pulley, adapter dan base frame, seperti yang diperlihatkan pada gambar berikut.
Gambar Komponen dari turbin Crossflow Keterangan : 1. Adapter 2. Poros guide vane 3. Guide vane 4. Nozel 5. Runner 6. Rangka pondasi 7. Rumah turbin 8. Tutup turbin 9. Poros runner
Aliran Melalui Turbin Crossflow Sebuah turbin crossflow dalam bentuk yang paling sederhana terdiri dari roda jalan (runner) dan nosel. Runner tersusun atas dua buah piringan sejajar yang dihubungkan oleh serangkaian sudu melengkung. Nosel turbin crossflow mempunyai penampang berbentuk persegi panjang dengan lengkungan pada bagian penutup atasnya, yang berfungsi mengarahkan aliran ke sudu pada runner. Gambar di bawah menunjukkan skema aliran pada turbin crossflow. Titik A didefinisikan sebagai outlet nosel, B adalah titik di mana penutup atas berakhir dan F merupakan pusat poros. Air mengalir melalui nosel dan memasuki runner. Aliran air melintasi blade pada runner terjadi dua kali, pertama yaitu ketika air masuk melalui lengkungan nosel antara titik A dan titik B. Kedua dihasilakan saat air mengalir melintasi ruang tengah yang terbuka (bagian dalam runner) dan diteruskan melaului blade antara titik C, D dan E. Oleh karena itu turbin ini disebut dengan turbin dua tingkat kecepatan. Bagian air yang melintasi runner sebanyak dua kali dikenal sebagai cross-flow, dan nama turbin berasal dari fenomena ini. Ada beberapa bagian dari air yang terikut dalam blade dan terlempar keluar dari runner, ini disebut dengan entrained flow.
ρ = massa jenis air (kg/m3) g = gaya gravitasi (m/s2) Q = debit air (m3/s) H = head (m) Besarnya debit air dan head masing-masing diperoleh dengan menggunakan alat ukur yang terpasang pada pipa. Head adalah energi yang dikandung oleh fluida persatuan berat fulida tersebut. Head diukur dengan menggunakan alat ukur tekanan (pressure gauge), dengan demikian dapat diperoleh besarnya head yaitu : (2.19) Dengan pgauge adalah pembacaan tekanan pada alat ukur (bar) 2. Daya Turbin Daya turbin adalah daya yang dibangkitkan oleh turbin air dengan mengubah energi kinetik air menjadi energi mekanik berupa putaran poros turbin. Daya turbin dilambangkan sebagai PT. Besarnya daya turbin dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut: (2.20) Dengan : n = putaran turbin (rpm) T = torsi pada poros (Nm) Torsi diukur dengan menggunakan mekanisme rope brake seperti pada Gambar berikut.
Gambar Skema aliran turbin Crossflow Teori Pengujian Turbin 1. Daya Hidrolis Daya hidrolis adalah daya yang dihasilkan oleh air yang mengalir dari suatu ketinggian. Dalam hal ini daya hidrolis diperoleh dari daya air yang dihasilkan oleh pompa. Daya hidrolis dilambangkan dengan PH. Daya hidrolis dirumuskan sebagai berikut: PH = ρ g Q H Dengan :
Gambar Rope brake T = Fr Dengan : F = beban yang diberikan pada poros (N) (2.18) = F1 – F2
r
= jari-jari pulli (m)
3.
Efesiensi Turbin Efisiensi turbin merupakan perbandingan antara output dan input atau antara daya turbin dengan daya hidrolis. Besarnya efisiensi turbin dapat dirumuskan sebagai berikut :
(2.22) 3. METODE PENELITIAN Tempat dan Waktu Penelitian dilaksanakan di Laborato rium Pengujian Mesin Fakultas Teknik Sekolah Tinggi Teknik Harapan Medan. Waktu penelitian dilaksanakan setelah memperoleh persetujuan, yaitu sejak tanggal pengesahan usulan oleh pengelola Program Studi sampai dengan dinyatakan selesai. Peralatan Pada pengujian ini digunakan beberapa peralatan antara lain : 1. Alat pengujian turbin Crossflow Alat ini terdiri dari beberapa bagian, antara lain : a. Reservoar, berfungsi sebagai tempat sumber air dan tempat menampung kembali air yang keluar dari saluran pembuangan. b. Pipa PVC tipe AW 2,5”, berfungsi untuk tempat mengalirkan air sampai ke turbin. c. Pompa Irigasi, dengan kapasitas 1100 liter/menit berfungsi untuk memindahkan air melalui pipa sebagai sumber tenaga air.
e. Pressure gauge, mengukur tekana air dalam pipa. f. Spring balance, untuk mengetahui beban pengereman yang diberikan. g. Rope Brake, berfungsi sebagai alat untuk mengukur beban pengereman dengan diameter pulley 120 mm.
Gambar Rope Brake h. Tali manila, berfungsi sebagai media break. i. Cassing/Rumah turbin, berfungsi sebagai tempat pemasangan turbin dan nosel. Selain itu rumah turbin berfungsi untuk menghindari sisa pancaran air mengarah ke berbagai arah.
Gambar Alat pengujian turbin Crossflow 2. Tachometer, digunakan untuk mengukur putaran pada poros turbin.
Gambar Pompa irigasi d. Flowmeter, digunakan mengukur debit air.
untuk
Gambar 3.4. Tachometer
Kotak Panel V
F1
F2
G
Pressure Gauge
I
Flow Meter Katub
Turbin Rope Brake
Pipa
Katub Bak Penampungan Pompa
Gambar Skema Instalasi Pengujian Pelaksanaan Pengujian 1. Variabel Pengamatan Dalam pengujian ini variabel yang akan diamati adalah : a. Tekanan air di dalam pipa (Pgauge). b. Beban pengereman (F). c. Putaran turbin (N) 2. Persiapan Pengujian Sebelum pengujian dilaksanakan, terlebih dahulu persiapkan hal-hal berikut : a. Memastikan Tachometer berfungsi dengan baik. b. Melakukan kalibrasi alat ukur beban dengan memberikan beban yang telah ditetapkan massanya. c. Membersihakan reservoar dari kotoran, dan mengisinya dengan air bersih minimal ¾ dari volume reservoar. d. Mengisi dan mengecek bahan bakar pada pompa air sebelum dioperasikan. e. Memasang runner pada turbin dengan jumlah sudu 20. f. Memastikan nosel telah terbuka penuh atau 100%. g. Memeriksa kembali instalasi alat pengujian sehingga siap untuk dipergunakan. 3. Pengambilan Data Tahap pengambilan data dapat dilaksanakan setelah seluruh tahap persiapan selesai. Pengambilan data dapat dimulai dengan : a. Sebelum pompa dihidupkan, terlebih dahulu mengatur katub nosel pada posisi terbuka penuh. b. Menghidupkan pompa dengan mengengkol tuas pada mesin pompa. c. Setelah pompa dihidupkan, kemudian tambah power pada pompa secara perlahan sampai pada posisi maksimum. d. Membaca tekanan air dalam pipa pada pressure gauge dan mencatatnya pada data sheet..
e. Mengatur beban pengereman F1 dan F2 serta mengukur putaran turbin dengan menggunakan tachometer, kemudian mencatat data-data tersebut pada data sheet. f. Mengulangi langkah 5 untuk variasi beban pengereman.
Data Hasil Pengujian Dari hasil pengujian dengan jumlah sudu 20 pada runner dan variasi beban pengereman diperoleh data hasil pengujian seperti diperlihatkan pada table 3.1. Tabel 3.1. Data hasil pengujian No
Nb
Q (m³/s)
Pgauge (bar)
1 2 3 4 5 6 7 8
20
0,018
0,25
Diagram Alir Penelitian
m (kg) 0 2 4 6 8 10 12 14
N (rpm) 456 345 330 270 243 200 159 100
MULAI
Studi literatur turbin crossflow khusus jumlah sudu
Permasalahan
Analisa Data 1. Pengaruh Pembebanan terhadap Torsi.
Persiapan alat dan bahan
Pengujian turbin crossflow
Data hasil pengujian
2.
Pengaruh Pembebanan terhadap Daya Turbin.
3.
Pengaruh Pembebanan terhadap Efisiensi Turbin.
Analisa data
SELSAI
4. HASIL DAN ANALISA DATA Hasil Perhitungan data dari hasil pengujian unjuk kerja turbin Crossflow dengan jumlah sudu 20, yang terdiri dari perhitungan Head (H), Daya hidrolis (PH), Torsi (T), Daya turbin (PT), dan Efisiensi (η), diperlihatkan pada tabel 4.1. Tabel 4.1. Data hasil perhitungan No 1 2 3 4 5 6 7 8
F (N) 0 19,62 39,24 58,86 78,48 98,1 117,72 137,34
T (Nm) 0 1,17 2,35 3,5 4,7 5,9 7,06 8,24
PT (W) 0 42,5 81,2 99,75 119,5 123,5 117,5 86,3
η (%) 0 9,6 18,4 22,6 27 27,9 26,6 19,5
Dari tabel data perhitungan dan grafik karakteristik di atas, diperoleh hasil analisa sebagai berikut : 1. Daya Turbin maksimum diperoleh pada pengujian dengan beban 10 kg
2.
3.
4.
5.
(F = 98,1 N) dengan kapasitas air dan tekanan yang sama, yaitu 123,5 Watt Efisiensi turbin maksimum diperoleh pada pengujian dengan beban 10 kg (F = 98,1 N) dengan kapasitas air dan tekanan yang sama, yaitu 27,9 %. Gambar 1 memperlihatkan bahwa torsi yang terjadi pada turbin semakin besar seiring dengan penambahan massa (pembebanan). Gambar 2 memperlihatkan pada daya turbin (PT) terjadi penurunan setetelah diberikan pembebanan sebesar 12 kg (F = 117,72 N) dan 14 kg (F = 137,34 N). Gambar 3 memperlihatkan pada efisiensi turbin (η) terjadi penurunan setelah diberikan penambahan massa sebesar 12 kg (F = 117,72 N) dan 14 kg (F = 137,34 N), atau penurunan efisiensi terjadi seiring dengan penurunan daya turbin.
5. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Dari hasil dan analisa data pengujian turbin Crossflow skala laboratorium menggunakan runner dengan jumlah sudu 20, maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut : 1. Daya turbin maksimum diperoleh pada pengujian dengan pembebanan 10 kg (F = 98,1 N) yaitu 123,5 Watt. 2. Efisiensi turbin maksimum diperoleh pada pengujian dengan pembebanan 12 kg (F = 98,1 N) yaitu 27,9%. Hal ini berbanding lurus dengan daya turbin (PT) yang dihasilkan, apabila daya turbin meningkat maka efisiensi turbin akan meningkat pula. 3. Karakteristik turbin Crossflow : Torsi yang dihasilkan oleh turbin meningkat seiring dengan penambahan beban sampai pada beban maksimum 14 kg (F = 137,34 N). Daya yang dihasilkan oleh turbin meningkat sampai pada pembebanan 10 kg (F = 98,1 N), dan terjadi penurunan daya sampai pada pembebanan 14 kg (F = 137,34 N). Efisiensi yang dihasilkan oleh turbin penurunan sampai pada
pembebanan 10 kg (F = 98,1 N), dan terjadi penurunan efisiensi sampai pada pembebanan 14 kg (F = 137,34 N). 5.2.
Saran Untuk lebih menyempurnakan pembahasan mengenai pengujian ini, maka sebaiknya : 1. Dilakukan penelitian terhadap mekanisme Rope Brake dengan merubah tali pengereman dengan bahan yang berbeda untuk mengetahui perbedaan torsi pada poros turbin. 2. Dilakukan proses pendinginan pada mesin pompa disetiap penggantian beban untuk menjaga tenaga (power) yang dihasilkan oleh pompa. Karena kondisi mesin pompa dalam keadaan panas yang diberi beban secara continue akan mengurangi tenaga dari pompa. 3. Dilakukan perawatan terhadap komponen – komponen instalasi pengujian turbin Crossflow, khususnya pada pompa untuk menjaga kerusakan pada impeller pompa.
DAFTAR PUSTAKA [1] Haimerl, L. A. “The Cross-Flow turbine”. Water Power Engineering Magazine, Volume 12, No.1, (1960): 5-13. [2]
Mockmore, C.A.; Merryfield, F. “The Banki Water Turbine”. Bulletin Series No.25, Engineering Experimental Station, Oregon State System of Higher Education, Oregon State College, Corvalis, USA, (1949): 4-27.
[3]
Khosrowpanah, S., Fiuzat, A. A., Albertson, M.L. “Experimental Study of Cross-Flow Turbine”. Journal Hydraulic Engineering, Vol.114, No.3 (1988): 299-314.
[4]
Desai, V. R., and Aziz, N. M., “Parametric Evaluation of CrossFlow Turbine Performance”. Journal of Energy Engineering, Vol.120, No.1 (1994): 17-34. American Society of Civil Engineers (ASCE).
[5]
Totapally H., Aziz M. “Refinement of Crossflow Turbine Design Parameters”. Journal of Energy Engineering, Vol.120, No.3 (1994): 133-147, American Society of Civil Engineers (ASCE).
[6]
Olgun, H. “Investigation of the Performance of a Cross-Flow Turbine”. International Journal of Energy Resources, Vol.22 (1998): 953-964.
[7]
Kaunda, C.S., Kimambo, C.Z., Nielsen, T.K. “Experimental Study on a Simplified Crossflow Turbine”. International Journal of Energy and Environment, Volume 5, N0.2 (2014): 155-182.
[8]
Sammartano, V., Arico, C., Carravetta, A., Fecarotta, O., Tucciarelli, T. “Bank-Michell Optimal Design by Computational Fluid Dynamic Testing and Hydrodynamic Analysis”. Energies, Volume 6 (2013): 2362-2385. https://aseppadang.wordpress.com/20 09/06/21/karakteristik-turbincrossflow/ http://tulisanakhwat.blogspot.co.id/20 14/02/makalah-turbin-air.html http://mesin.ub.ac.id/jurnal/jurnal/do wnload.php?id=29
