STUDI EKSPERIMEN DAN RANCANG BANGUN NOSEL GUIDE VANE PADA NOSEL TURBIN CROSS-FLOW BERBASIS COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS. Sugeng Permadi, Sarwono, R. Hantoro Jurusan Teknik Fisika Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Kampus ITS Sukolilo, Surabaya - 60111 e-mail :
[email protected] ABSTRAK Telah dibuat guide vane nosel dari turbin cross-flow berdasarkan desain JLA dengan sekala laboratorium dengan dua alternative tipe airfoil yaitu FX-69-PR-821 dan Kennedy and Marsden. Ketiga jenis guide vane tersebut diuji pada mini-plant yang telah dibuat untuk diukur nilai tekanan statik dan total, torsi serta rpm dengan variasi sudut serang yang berbeda-beda, pengujian juga dilakukan dengan menggunakan software CFD yaitu Fluent. Hasilnya adalah jenis airfoil mempengaruhi tekanan dan efisiensi dari turbin. Untuk hasil simulasi tekanan semakin naik baik tekanan statik maupun total pada input dan output. Dari kontur hasil simulasi didapatkan bahwa kecepatan aliran terbesar terjadi pada guide vane dengan airfoil tipe FX-69-PR-821 pada sudut serang 270. Sedangkan kecepatan terkecil terjadi pada guide vane JLA dengan sudut serang 270. Efisiensi terbesar hasil eksperimen yaitu 21.79%, terjadi pada guide vane yang menggunakan airfoil tipe Kennedy and Marsden pada sudut 140. Efisiensi terkecil 10.9%, terjadi pada guide vane tipe FX-89-PR-821 pada sudut 140. Sedangkan untuk data torsi hasil simulasi didapatkan efisiensi terbesar terdapat pada guide vane dengan airfoil FX-69-PR-821 pada sudut 270 sebesar 16.83%, sedangkan efisiensi terendah yaitu 6.23% terjadi pada guide vane dengan jenis airfoil FX-69-PR-821 pada sudut 140. Kata kunci : Nosel, turbin cross-flow, guide vane JLA, airfoil FX-69-PR-821, airfoil Kennedy and Marsden, Fluent.
yang bagian katubnya dirancang sedemikian rupa dengan memperhatikan gaya-gaya dari aliran air yang akan menumbuk permukaannya sehingga didapatkan sudut bukaan nosel yang optimal sehingga aliran air dapat diarahkan agar menabrak sudu dari turbin dengan sudut tertentu sehingga dihasilkan putaran runner yang optimal. Airfoil merupakan bentuk bangun yang dapat menghasilkan gaya angkat besar dengan hambatan sekecil mungkin. Dengan menggunakan airfoil ini pada rancangan guide-vane diharapkan dapat mengatur aliran air sehingga menabrak sudu dari runner dengan sudut yang optimum dan sebagai hasilnya didapatkan putaran turbin yang lebih cepat.
I LATAR BELAKANG Nosel adalah alat untuk mengekspansikan fluida sehingga kecepatannya bertambah. Nosel pada turbin cross-flow mempunyai peranan dalam mengatur kecepatan aliran fluida ketika menabrak runner. Untuk memudahkan pengaturan kecepatan fluida yang melalui nosel tersebut biasanya di dalam nosel dipasang sebuah guide vane yang berfungsi sebagai katub atau valve yang mengatur besar kecilnya lubang pada nosel yang akan dilalui fluida. Pada awalnya nosel dari turbin cross-flow ini dirancang dengan lebar semburan (jet) tetap konstan, memiliki pengaruh yang sama seperti mengurangi panjang runner dari turbin bila menginginkan daya yang lebih sedikit, pada nosel jenis ini dipasang sebuah roda gigi yang mengatur lebar semburan dari nosel. Perkembangan selanjutnya yaitu pada nosel Jerman dimana tidak lagi menambah atau mengurangi lebar semburan sebagai perubahan terhadap kebutuhan daya, ketebalan dari semburan dapat diubah-ubah. Metode ini digunakan dengan hak paten dari Jerman, yaitu terdapat adanya pintu atau katub yang dapat diubah-ubah sehingga air diarahkan untuk memasuki sudu dari turbin dengan sudut yang sesuai sehingga didapatkan efisiensi yang baik ketika beroperasi.(1) Saat ini pada salah satu tipe turbin cross-flow yaitu tipe JLA katub tersebut disebut guide-vane yang merupakan sebuah valve
II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Turbin Air Banki (Turbin Cross-flow) Turbin Cross-flow merupakan tipe turbin air yang ditemukan oleh A. G. M Mitchell pada tahun 1900. Pada Tahun 1916 s/d 1918, Donat Banki menulis paper mengenail cross-flow turbine yang berjudul “Neue Wasserturbine”. Berdasarkan paper Banki, efisiensi cross-flow turbine dapat mencapai +80%. Efisiensi cross-flow turbine menurut Banki masih berdasarkan perhitungan teoritis. Pada tahun 1949, C. A Mockmore dan Fred Merryfield melakukan penelitian lebih mendalam tentang hasil perhitungan cross-flow turbine berdasarkan paper Banki. Setelah
1
membuat crossflow turbine berdasarkan analisa itu diperoleh efisiensi turbin sebesar 68%. Perusahaan Turbin Ossberger yang terletak di Jerman Barat membuat cross-flow turbine untuk keperluan komersil. Mereka mengklaim bahwa turbin mereka memiliki efisiensi sebesar 84%. Pada tahun 1982, Johnson dan white membuat model cross-flow turbine. Kemudian mereka menyimpulkan bahwa efisiensi cross-flow turbine antara 60% s/d 70%. Tugas akhir ini menitik beratkan pada studi mengenai nosel pada cross-flow turbin. Nosel merupakan perangkat mekanik yang didesain untuk mengontrol arah atau karakteristik dari aliran fluida sebagai keluaran atau masukan sebuah ruang tertutup atau pipa melalui sebuah lubang. Nosel seringkali berupa pipa atau tabung dengan penampang melintang yang bervariasi, dan dapat digunakan untuk melangsungkan atau merubah aliran dari fluida (gas dan cair).(4) Jadi pada perkembangannya desain inlet nosel Mockmore dan Merryfield berbeda dengan desain Banki. Pada desain Banki nosel sangat dekat dengan chasing runner sehingga tekanan inlet tidak sama dengan tekanan atmosfer sedangkan nosel Mockmore dan Merryfield berada pada tekanan atmosfer.(6)
Gambar 2.2 Desain nosel dengan guide vane versi JLA(10)
Gambar 2.3 Guide Vane pada Nozzle turbin Crossflow tipe JL(10)
2.2 Airfoil Aerofoil adalah bentuk bangun yang dapat menghasilkan gaya angkat besar dengan hambatan sekecil mungkin, karena itu airfoil dianggap cocok dipakai untuk memecah aliran pada fluida. Karena dapat menghasilkan gaya angkat (Lift) yang besar dengan hambatan yang kecil inilah airfoil dipilih sebagai komponen sayap pesawat terbang. Gaya angkat (lift) dan stall dari sayap tersebut sangat bergantung pada bentuk geometris penampang airfoil-nya. Bentuk geometris penampang airfoil secara umum dapat dilihat pada gambar berikut:
Gambar 2.1 Turbin Crossflow(5) Turbin cross-flow menggunakan nosel persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Air mengalir keluar membentur sudu dan memberikan energinya (lebih rendah dibanding saat masuk) kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel.(6) (Durgin dan Fay). Untuk desain nosel pada tugas akhir ini digunakan desain dari JLA.(10) Dimana desainnya terlihat pada gambar 2.2 dan 2.3.
Gambar 2.4 Bentuk geometri penampang airfoil NACA(2)
2
Dan bagian-bagian airfoil adalah sebagai berikut: • Leading edge : sisi depan airfoil • Trailing edge : sisi belakang airfoil • Chord : jarak antara leading edge dan trailing edge • Chord line : garis lurus yang menghubungkan leading edge dengan trailing edge. • Mean chamber line : garis yang membagi sama besar antara permukaan atas dan bawah. • Maximum chamber : jarak maksimal antara chamber line dan chord line. • Maximum thickness : jarak maksimal antara permukaan atas dan bawah. • Leading edge radius : jari-jari kelengkungan permukaan leading edge, besarnya radius ini 0 – 2%.(2) . 2.2.1 Sudut Serang α Sudut serang adalah sudut yang dibentuk antara chord airfoil dengan vector kecepatan aliran fluida freestream. Perubahan Reynolds number dan sudut serang α mempengaruhi harga gaya angkat (lift).(3)
V AP span
: kecepatan fluida : plan area (S), luasan maksimum : chord x
Gaya ini terjadi karena adanya perbedaanperbedaan pada tekanan atas dan bawah airfoil. Lift dipengaruhi oleh sudut serang α yang dibentuk antara chord airfoil terhadap vector kecepatan aliran fluida bebas. Artinya jika sudut serang diperbesar maka koefisien lift akan naik dengan teratur secara linier sampai titik maksimum dicapai. Hingga pada suatu posisi tertentu akan terjadi stall (penurunan lift secara drastis).(3)
Grafik 2.6 Hubungan koefisien lift CL dengan sudut serang α(3) •
Gaya Seret (Drag) Gaya seret (D) adalah gaya aliran yang bekerja pada airfoil yang sejajar arah gesekan. Berdasarkan analisis dimensi bentuk persamaan lift adalah sebagai berikut:
D=
Dimana, D : Gaya Drag CD : koefisien drag ρ : massa jenis fluida V : kecepatan fluida : plan area (S), luasan maksimum : chord x AP span Gaya seret (drag) timbul akibat efek viskositas dan dibagi dalam dua jenis yaitu: • Skin friction drag, yaitu tegangan geser yang timbul akibat persinggungan aliran viskos dan permukaan padat akan menimbulkan gaya geser yang dapat memperlambat gerakan body relative terhadap fluida.
Gambar 2.5 Sudut serang(3)
2.2.2 Gaya-Gaya Aerodinamika • Gaya Angkat (Lift) Gaya angkat (L) merupakan komponen gaya fluida pada airfoil yang tegak lurus arah gerakan. Berdasarkan analisis dimensi bentuk persamaan lift adalah sebagai berikut:
L=
1 ρV 2 Ap C D ……….....................……(2.2) 2
1 ρV 2 Ap C L …….........................……(2.1) 2
Dimana, L : Gaya Lift CL : koefisien lift ρ : massa jenis fluida
3
•
Berikut adalah diagram alir proses pemodelan dengan menggunakan CFD.
Pressure drag, separas aliran akan membentuk daerah bertekanan rendah dibelakang body (wake), perbedaan tekanan inilah yang akan memberikan gaya seret.
Gambar 2.7. Diagram Alir CFD (FLUENT Manual)(11) Analisa CFD : Langkah – langkah dasar(11) • Identifikasi masalah dan Pre – Processing 1. Menentukan tujuan dari modelling 2. Mengidentifikasi domain yang akan dimodelkan 3. Membuat desain dan grid • Eksekusi Solver 1. Mengeset model numerik 2. Menghitung dan mengamati solusi • Post – Processing 1. Menguji hasil pemodelan 2. Mempertimbangkan revisI model
Pada aliran 2D total gaya drag adalah penjumlahan dari skinfriction drag dan pressure drag yang disebut profile drag. Sedangkan untuk aliran 3D ditambah dengan komponen induced drag (CDi). Induced drag terjadi karena vortex timbul pada ujung-ujung foil sehingga vector lift condong ke belakang. Profile drag dikenal juga sebagai zero lift drag (CDz). 2.3 Efisiensi Turbin Effisiensi turbin dapat dinyatakan perbandingan antara daya yang dihasilkan turbin (Daya Turbin) dengan daya yang diberikan (Daya Fluida). Daya Turbin dan Daya Fluida didapat dari perhitungan berikut: 1. Daya Fluida Daya fluida merupakan daya yang dihasilkan oleh aliran fluida. Dapat dirumuskan sebagai berikut: PF = ρ Q g H .............................................(2.3) Ket: ρ = Massa jenis fluida ( kg m 2 )
III METODOLOGI PENELITIAN Sebelum memulai perancangan, pemodelan, dan simulasi, di bawah ini adalah gambar diagram alir dari penelitian ini : Mulai
Literatur
Analisa Dimensi
3
Q = Debit Aliran Fluida ( m sec ) g = precepatan gravitasi ( m s 2 )
Pembuatan Plan
H = ketinggian sumber air terhadap datum (m) 2. Daya Turbin Torsi yang diperoleh diperoleh terhadap sumbu putar runner sebesar 0.188803 Nm dan RPM sebesar 304.25 rev/min menghasilkan daya sebagai berikut:
Koefisien Cl dan Cd
Simulasi mini plan pada Fluent
Perubahan Airfoil, sudut serang
Pengujian Plan
Hasil eksperim en
Simulasi Dengan Menggunakan CFD
Hasil simulasi
Koefisien Cl dan Cd Dibandingkan
Sesuai?
2πN PR = τ ..............................................(2.4) 60
Sesuai?
Tidak
Tidak Ya
Ya
Kesimpulan
Dari daya runner dan daya fluida dapat diketahui effiesiensi runner sebagai berikut:
η=
Analisa Dimensi
Memilih 2 airfoil dari database airfoil
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian
PR .........................................................(2.5)(16) PF
3.1 Algoritma Pengerjaan • Studi literatur Nosel Turbin 17 Cross-flow Untuk mendukung pelaksanaan perancangan sistem, maka diperlukan studi literatur. Studi literatur diperoleh dari data internet, jurnal ilmiah, dan buku-buku penunjang yang mendukung yang mampu menjadi dasar dalam perancangan nosel dari turbin cross-flow sebagai pembangkit energi listrik. Dari hasil literatur ini didapatkan tipe
2.4 CFD Ditinjau dari istilahnya, Computational Fluid Dynamics, CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi yang memungkinkan kita untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat-zat yang mengalir. 2.5.1 Fluent
4
turbin cross-flow yang digunakan merupakan tipe JLA. • Menentukan Dimensi dan Spesifikasi Nosel Turbin Cross-flow Pada tahap ini dilakukan penentuan spesifikasi serta dimensi dari nosel yang akan dibuat. Karena turbin Cross-flow yang akan dibuat berupa mini-plant maka dilakukan analisa dimensi yaitu proses mengecilkan plan dengan memperhitungkan debit air yang mampu disuplai sendiri tanpa perlu menggunakan debit aliran sungai. • Pemilihan airfoil Pemilihan airfoil pengganti dilakukan dengan cara menentukan nilai Clmax dari guide vane JLA, selain itu bentuk fisik dari guide vane JLA juga diperhitungkan dalam mencari dua airfoil alternatif yang akan dipakai. • Proses Drawing Dari Mini-plant Nosel Turbin Cross-flow Tahapan ini berupa proses penggambaran detail desain dari nosel yang akan dibuat berdasarkan hasil analisa dimensi yang sudah dilakukan sebelumnya. • Pembuatan dan Perakitan Pada tahap pembuatan komponenkomponen dari nosel ini diserahkan pengerjaannya pada bengkel las dan bubut. Jadi setelah dilakukan pendesainan ulang dari literatur berdasarkan analisa dimensi dan proses penggambaran detail komponen mini-plan yang akan dibuat maka hasilnya diserahkan pada bengkel las dan bubut untuk dikerjakan. Setelah komponen-komponennya jadi maka dilakukan perakitan dan pmbenahanpembenahan yang diperlukan. • Pemasangan dan Pengujian Pada tahapan ini alat yang sudah dirakit diuji dengan dialiri alir dengan debit yang sesuai untuk mengetahui apakah alat yang sudah dibuat bisa berfungsi sebagaimana yang diinginkan. Debit air diperoleh dari dua pompa dan satu buah diesel. • Pengambilan Data Besaran Fisis Pengambilan data yang dilakukan dengan menghitung besar rpm, tekanan (total dan statis) berdasarkan beberapa variasi sudut dari guide vane, dan torsi. • Analisa Data dan Simulasi Setelah dilakukan pengambilan data rpm, tekanan dan torsi selanjutnya data tersebut dianalisa sehingga diperoleh performansi yang paling optimal ketika dilakukan variasi jenis guide vane dan sudut guide vane pada nosel turbin cross-flow, kemudian pada setiap variasi tersebut dilaukan pemodelan geometri pada gambit dan disimulasikan dengan software FLUENT, sehingga didapat grafik
distribusi tekanan, dan gambar distribusi aliran fluida. Hasilnya dibandingkan antara hasil eksperimen dengan hasil simulasi kemudian dianalisa. • Selesai Setelah semua proses dilakukan, maka semua hasil penelitian ditulis dalam laporan akhir. 3.2 Perancangan Sistem Desain geometri alat digambar dengan menggunakan AutoCad untuk mempermudah proses fabrikasi. (a) (b) Gambar 3.2 (a) Desain guide vane pada AutoCad (b) Dimensi turbin secara keseluruhan pada AutoCad
Gambar 3.3 Hasil fabrikasi guide vane versi JLA Untuk pemasangan sensor tekanan digunakan prinsip Bernoulli yaitu berupa selang yang dibentuk menjadi U. Hal ini dilakukan karena sensor tekanan (strain gauge) yang dimmiliki sekalanya terlalu besar sehingga tidak dapat membaca tekanan pada sistem yang terpasang. Rumus yang digunakan adalah sebagai berikut : P = ρghw .................................................. (3.1) 2
0.665 hw = 0.01 × h p ...........................( 3.2) 0.88 Dimana : P : tekanan (pascal) ρ : massa jenis air g : percepatan gravitasi (m/s2) hp : ketinggian air yang terukur dari pipa U hasil eksperimen hw : ketinggian dari pipa standard Pemasangan sensor tekanan ini terdapat dua macam yaitu tekanan statik dan tekanan total. Cara pemasangannya berbeda untuk tekanan statik sensor dipasang tegak lurus arah aliran air sedangkan untuk tekanan total menghadap kearah datangnya aliran air.() Gambar 3.4 Pemasangan sensor tekanan pada inputan nosel Gambar 3.5 Pemasangan sensor tekanan pada bagian dalam turbin
5
Untuk sensor torsi digunakan pegas, jadi yang diukur adalah gaya pada pegas dengan rumus sebagai berikut. F = k∆x...............................................................(3.3) Dimana : F = Gaya (N) k = konstanta pegas ∆x = perubahan panjang pegas (m) Untuk menghitung torsi memakai rumus seperti persamaan berikut ini : τ = FR .............................................................(3.4) Dimana : τ = torsi (Nm) F = gaya (N) R = jari-jari (m)
(a)
Gambar 3.13 Geometri dan hasil meshing pada Gambit untuk guide vane JLA. Gambar 3.14 Geometri dan hasil meshing pada Gambit untuk guide vane JLA diperbesar Setelah mini-pant jadi dan komponenkomponennya sudah dirakit maka geometrinya digambar pada Gambit dalam bentuk 2D. Geometri ini dibuat mula-mula dengan mengukur mini-plant yang sebenarnya dan melakukan plotting pada kertas milimeter blok untuk bentuk nosel dan guide vane-nya.
(b)
Gambar 3.6 (a) Alat ukur torsi berupa tiga buah pegas disusun seri (b) Stroboskop yang digunakan untuk mengukur rpm.
Gambar 3.7 Hasil fabrikasi nozzle dan pemasangan alat ukur tekanan pada output.
Gambar 3.8 Hasil fabrikasi penutup bagian bawah dari turbin Gambar 3.9 Hasil fabrikasi rotor dari turbin
Gambar 3.15 Geometri awal mini-plant pada Gambit
Gambar 3.10 Hasil fabrikasi dari dua airfoil alternatif
Gambar 3.16 Geometri turbin setelah dijadikan bentuk geometri face. Pada gambar 3.14 dan 3.15 diatas menunjukkan geometri turbin pada Gambit. Gambar 3.14 geometri menunjukkan hasil pengukuran langsung dari turbin sebenarnya, geometrinya masih berupa garis. Gambar 3.15 merupakan geometri turbin pada Gambit setelah diubah ke bentuk bidang sebelum dilakukan proses meshing.
(a) (b) Gambar 3.11 (a) Pemasangan guide vane pada nosel (b) Turbin secara utuh
Gambar 3.17 Proses meshing garis pada geometri bidang dari turbin.
Gambar 3.12 Perakitan sistem turbin cross-flow 3.3 Pemodelan Sistem dan Simulasi Desain asli guide vane dari JLA digambar geometrinya pada Gambit, sebelum disimulasikan untuk mencari nilai Cl dan Cd dari guide vane tersebut. Hasil penggambaran geometri dan meshing pada Gambit adalah sebagai berikut :
Gambar 3.18 Proses meshing bidang pada geometri turbin. Proses meshing ditunjukkan pada gambar 3.16 dan 3.17, gambar 3.16 menunjukkan proses meshing meshing dari mini-plant pada Gambit.
6
Berikut ini hasil hasil simulasi yang dilakukan dengan menggunakan Fluent. Tabel 4.1 Kontur tekanan statik pada sistem turbin cross-flow untuk ketiga jenis guide vane.
IV ANALISA DAN PEMBAHASAN HASIL SIMULASI 4.1 Analisa Data • Data tekanan hasil eksperimen beserta pengolahannya. Dari data yang didapatkan dilakukan pengolahan data yaitu dengan menggunakan persamaan 3.1 dan persamaan 3.2
Tabel 4.2 Kontur tekanan total pada sistem turbin cross-flow hasil simulasi dengan menggunakan Fluent pada ketiga jenis guide vane.
2
0.665 hw = 0.01 × × 7.7 = 0.04397 m 0.88 P = 998.2 × 9.8 × hw = 430.1424582 pascal Tabel tekanan statik input hasil eksperimen
Tabel 4.3 Kontur kecepatan hasil simulasi pada tiga jenis guide vane
1800
2500
Airfoil JLA
1500
Tekanan total
Tekanan (pascal)
1600
2000
AIRFOIL FX PR-69281
1000
Airfoil Kennedy And Marsden
500
1400
Guide vane JLA
1200 1000
Airfoil FX-69-PR-281
800 Airfoil Kennedy and Marsden
600 400 200 0
0
0
0
10
20
10
30
20
30
Sudut serang
Sudut serang Guide Vane (derajat)
Tekanan output total (pascal)
160 Tekanan statik (pascal)
140 120
Airfoil JLA
100 AIRFOIL FX PR-69281
80 60
Airfoil Kennedy And Marsden
40 20 0 0
10
20
4.3 Perhitungan Efisiensi Turbin Berdasarkan persamaan 2.4 hingga persamaan 2.6 maka dapat dihitung efisiensi dari turbin cross-flow. Efisiensi dari turbin ini dipengaruhi oleh torsi dan Rpm yang nilainya diukur pada waktu eksperimen, hasil efisiensi tersebut juga dibandingkan dengan hasil simulasi untuk torsi. Perhitungan efisiensi dari turbin crossflow yang telah dibuat adalah sebagai berikut : Diketahui:
1600 1400 1200
Airfoil JLA
1000 AIRFOIL FX PR-69281
800 600
Airfoil Kennedy And Marsden
400 200
30
0 0
Sudut serang guide vane (derajat)
10
20
30
Sudut serang guide vane (derajat)
Grafik 4.1 Perbandingan tekanan input statik pada ketiga jenis guide vane. • Pengolahan data torsi
F1 = 11.2 × 35.3 × 0.01 = 3.9536N F2 = 14.64873 × 29.22 × 0.01 = 4.280359N F3 = 13.57341 × 34.96 × 0.01 = 4.745264N
ρ = 998.2 kg m 2
Q = 435 lt men = 0.00725 m
Karena pegas tersusun secara seri maka ketiga gaya diatas dijumlahkan, sebagai berikut :
Torsi (Nm )
memasuki nosel) Maka :
Airfoil JLA
PF = 998.2 × 0.00725 × 9.8× 0.305 = 21.63124 watt
Airfoil FX-69-PR-281
0.1
Airfoil kennedy and Marsden
0.05
Sebagai contoh perhitungannya menggunakan data torsi pada tabel B.20b dan tabel B.19a pada lampiran B, maka didapatkan:
0 0
10
20
30
sudut serang guide vane (derajat)
2 π 212.02 60 PR = 3.98751watt 3.98751 x100 η= 21.63124 η =18.434 %
Grafik 4.2 Perbandingan nilai torsi pada ktiga jenis guide vane
PR = 0.179687
250 200 Airfoil JLA Rpm
(debit dari 2 pompa
g = 9.8 m s2 H = 0.305 m (ketinggian intake sebelum
0.25
0.15
sec
dan 1 diesel)
F1 + F2 + F3 = 12.97922N τ = 12.97922 × 0.0137 = 0.177815 0.2
3
150
Airfoil FX-60-PR-281
100
Airfoil Kennedy and Marsden
50 0 0
10
20
30
sudut serang guide vane (derajat)
Tabel 4.4 Efisiensi pada ketiga sudut serang untuk masing-masing jenis guide vane hasil eksperimen. Tipe guide Sudut serang Efisiensi ( η )
Grafik 4.3 Perbandingan data rpm hasil eksperimen pada ketiga jenis guide vane. 4.2 Hasil Simulasi
7
vane
(α)
Airfoil default JLA
14.063250 21.4770 27.8480 14.063250 21.4770 27.8480 14.063250 21.4770 27.8480
Airfoil FX69-PR821 Airfoil Marsden and Kennedy
pompa yang berasal dari diesel sulit dijaga kestabilannya. Hal ini mempengaruhi tekanan yang keluar dari nosel karena debit yang tidak konstan menyebabkan data tekanan yang diambil fluktuatif. Selain itu juga dimungkinkan adanya kebocoran pada sistem sehingga sistem tidak benar-benar tertutup rapat. Data torsi menunjukkan penurunan torsi terhadap bertambahnya sudut serang, kecuali pada guide vane tipe JLA yang mengalami kenaikan torsi saat sudut serang 27.8480. Data rpm juga fluktuatif, terhadap perubahan sudut serang. Untuk hasil simulasi dapat dilihat dari gambar kontur tekanan pada tabel 4.1. Pada gambar tersebut terlihat bahwa tekanan dalam turbin naik seiring dengan kenaikan sudut serang. Hal tersebut ditandai dengan perubahan warna dari hijau menuju kearah kuning untuk tipe guide vane JLA, sedangkan untuk airfoil FX-69-PR-821 dan Kennedy and Marsden perubahan warna dari hijau kebiru-biruan ke arah hijau kekuning-kuningan ubtuk setiap perubahan sudut. Hal ini disebabkan karena kenaikan sudut serang menyebabkan adanya arus balik dari aliran air atau yang disebut dengan back flow sehingga menyebabkan naiknya tekanan pada turbin. Sedangkan untuk tekanan output tekanan total maupun tekanan statiknya mengalami kenaikan seiring dengan kenaikan sudut serang, hal ini terjadi karena jalan lewat fluida semakin sempit ketika sudut serang semakin dinaikkan, hal inilah yang menyebabkan tekanan output semakin besar. Untuk kecepatan kontur kecepatan pada masing-masing guide vane dapat dilihat pada tabel 4.3, pada tabel tersebut terlihat bahwa kecepatan aliran air semakin menurun seiring dengan penambahan sudut serang pada ketiga jenis guide vane, hal ini ditunjukkan oleh perubahan warna pada bagian output nosel yang semula kuning kemerah-merahan menjadi kuning setiap kenaikan sudut serang. Hal ini menunjukkan bahwa perubahan kenaikan sudut serang tidak serta merta menaikkan kecepatan aliran air, sudut serang yang semakin besar menyebabkan jalan masuk air melewati nosel semakin kecil sehingga dengan kecepatan yang sama maka banyak terjadi arus balik atau backflow sehingga kecepatan dari aliran air ketika keluar dari nosel semakin rendah untuk setiap kenaikan sudut serang. Dari kontur kecepatan pada tabel 4.3 terlihat bahwa kecepatan paling besar yaitu pada jenis guide vane yang menggunakan airfoil FX-69-PR-821, pada sudut serang 27.8480, hal ini terkihat pada kontur kecepatan sebelum memasuki rotor turbin yang berwarna kuning kemerah-merahan baik dari kontur aliran yang melewati bagian atas maupun bagian bawah guide vane. Sedangkan kecepatan paling rendah terdapat pada guide vane JLA dengan sudut serang 27.8480,
18.43403% 15.42861% 11.18400% 10.90639% 12.0055% 13.02909% 21.79154% 16.19014% 12.41507%
Tabel 4.5 Efisiensi pada ketiga sudut serang untuk masing-masing jenis guide vane dengan data torsi hasil simulasi. Tipe guide Sudut serang Efisiensi ( η ) vane (α) Airfoil 14.063250 12.02624% default JLA 21.4770 15.88619% 27.8480 15.59364% Airfoil FX- 14.063250 6.226687% 69-PR821 21.4770 8.042931% 27.8480 16.83032% Airfoil 14.063250 9.174823% Marsden 21.4770 10.0848% and 27.8480 15.29572% Kennedy 4.4 Pembahasan Setelah dilakukan analisa data dan perhitungan-perhitungan terhadap data yang diperoleh dari hasil eksperimen maka dapat dikatakan terdapat adanya pengaruh dari sudut serang terhadap tekanan baik tekanan statik maupun tekanan total. Hal ini nampak pada grafik 4.1 dan 4.2 yang mana merupakan data tekanan input dari nosel, kedua jenis tekanan naik seiring dengan bertambah besarnya sudut serang, hal ini terjadi pada ketiga jenis guide vane kecuali pada airfoil tipe Kennedy and Marsden yang mana malah menurun setelah sudut serangnya dinaikkan 27.8480. Kenaikan tekanan input ini mungkin disebabkan oleh adanya aliran balik (backflow), aliran balik ini terjadi disebabkan karena semakin besar sudut serang dari guide vane maka menyebabkan semakin menyempitnya jalan masuk bagi aliran air kedalam turbin. Sedangkan untuk data tekanan output dari nosel, untuk tekanan statik airfoil tipe FX-69-PR-821 terus menurun, lalu untuk tipe JLA dan Kennedy and Marsden tekanan statiknya naik setelah sudut serangnya dinaikkan dari 21.4770 menjadi 27.8480. Untuk data tekanan total pada output menunjukkan hasil yang fluktuatif atau naik turun untuk setiap perubahan sudut serang. Ketidakstabilan ini dipicu karena debit
8
hal ini terlihat dari kontur kecepatannya yang berwarna hijau sampai hijau muda. Untuk data perbandingan torsi (grafik 4.19, 4.20 dan 4.21) menunjukkan bahwa menunjukkan keadaan yang berkebalikan antara data torsi hasil simulasi dan hasil pengukuran. Hal ini disebabkan pada proses pengukuran sistem tidak benar-benar tertutup karena masih terdapat kebocoran meskipun sudah diminimalisasi. Sedangkan pada untuk hasil perhitungan efisiensi didapatkan hasil efisiensi yang cenderung semakin menurun untuk guide vane tipe JLA dan tipe Kennedy and Marsden, sedangkan untuk guide vane yang menggunakan airfoil tipe FX-69-PR-821 semakin menurun seiring dengan kenaikan sudut serang dari guide vane yang digunakan. Efisiensi terbesar terjadi ketika guide vane menggunakan airfoil tipe Kennedy and Marsden dengan kondisi sudut serang 14.036250. Sedangkan efisiensi terkecil didapatkan ketika pada guide vane digunakan airfoil FX-69-PR-821 pada sudut serang 14.036250 berdasarkan data hasil eksperimen. Sedangkan bila menggunakan data torsi hasil simulasi didapatkan bahwa efisiensi terbesar terjadi ketika guide vane menggunakan airfoil jenis FX-69PR-821 pada sudut serang 27.8480. Sedangkan efisiensi terkecil berdasarkan data torsi hasil simulasi terdapat pada guide vane dengan airfoil jenis FX-69-PR-821. Hasil simulasi dengan hasil eksperimen menunjukkan efisiensi terkecil pada airfoil FX-69-PR-821 dengan sudut serang 14.063250, hal ini disebabkan karena kecepatan yang aliran air yang besar menabrak turbin sehingga terdapat gaya yang memaksa turbin untuk berputar berlawanan dengan yang seharusnya (dapat dilihat pada tabel 4.3), hal ini terlihat pada kontur kecepatan pada FX-69-PR-821 dengan sudut serang 14.063250 di tabel 4.3, kontur bagian bawah turbin menunjukkan warna kuning kemerah-merahan yang menandakan kecepatan aliran air yang besar menabrak bagian bawah turbin, meskipun pada bagian atasnya juga terdapat kecepatan dengan kontur yang sama, namun hal itu mengurangi torsi dari turbin karena sebagian gaya untuk berputar searah jarum jam tereduksi akibat kecepatan pada bagian bawah guide vane yang mendorong turbin untuk berputar kearah sebaliknya. Sedangkan untuk guide vane dengan airfoil FX-69-PR-821 pada sudut serang 27.8480 memiliki efisiensi yang besar (berdasarkan hasil simulasi) adalah karena meskipun pada bagian bawah guide vane tersebut juga terdapat kecepatan aliran air yang besar tetapi karena sudut serang yang lebih besar maka kecepatan aliran air terarahkan untuk menabrak sudu dari turbin dan menghasilkan daya dorong ke arah berlawanan arah jarum jam sehingga gaya
yang dihasilkan selaras dengan gaya yang dihasilkan oleh kecepatan aliran air yang melewati bagian atas dari guide vane. V KESIMPULAN Berdasarkan analisa data dan pembahasan maka dapat disimpulkan : • Jenis airfoil mempengaruhi tekanan dan efisiensi dari turbin. Efisiensi semakin menurun seiring dengan kenaikan sudut serang dari airfoil yang digunakan sebagai guide vane pada nosel cros-flow (kecuali pada airfoil tipe FX-69-PR-821). Sedangkan untuk hasil simulasi tekanan semakin naik baik tekanan statik maupun total pada input dan output. Dari kontur hasil simulasi didapatkan bahwa kecepatanaliran terbesar terjadi pada guide vane dengan airfoil tipe FX-69-PR-821 pada sudut serang 270. Sedangkan kecepatan terkecil terjadi pada guide vane JLA dengan sudut serang 270. • Efisiensi terbesar hasil eksperimen yaitu 21.79%, terjadi pada guide vane yang menggunakan airfoil tipe Kennedy and Marsden pada sudut 140. Efisiensi terkecil 10.91%, terjadi pada guide vane tipe FX89-PR-821 pada sudut 140. Sedangkan untuk data torsi hasil simulasi didapatkan efisiensi terbesar terdapat pada guide vane dengan airfoil FX-69-PR-821 pada sudut 270 sebesar 16.83%, sedangkan efisiensi terendah yaitu 6.23% terjadi pada guide vane dengan jenis airfoil FX-69-PR-821 pada sudut 140. • Mini plant yang telah dibuat berdasarkan desain JLA diperkecil setengah ukuran desain aslinya dengan lebar inlet dari nosel 9.5 cm. Hal ini untuk memudahkan pasokan debit yang aslinya didapatkan dari debit aliran sungai, sehingga dapat diganti dengan gabungan tiga buah pompa. REFERENSI [1].Mockmore, C. A., F. Merryfield. 1949 The Banki Water Turbine. Engineering Exper. Sta. Bull No 25, February 1949, pp. 1-35. [2].http://www.desktopaero.com/appliedaero/airfoil s1/airfoilgeometry.html [3] http://en.wikipedia.org/wiki/Angle_of_attack [4] http://en.wikipedia.org/wiki/Nozzle [5] Penche, C., I. De Minas. 1998. Layman’s Gudebook: on how to develop a small hydro site. 2nd edition.; Berussel: European Small Hidro Power Assosiation.
9
[6] Durgin, W. W., W. K. Fay. 1984. Some Fluid Flow Charactheristics of A Cross Flow Type Hydraulic Turbine, Small Hydro Power Fluid Machinery, The Winter Annual Metting of ASME, Nwe Orleans. December 1984. [7] Tuakia, Firman. 2008. Dasar-dasar CFD Menggunakan Fluent. Penerbit Informatika. Bandung. [8] Siwi , Galih P. dkk. 2006. Presentasi : Turbin Air. Yogyakarta [9] SFU. Persentasi. Dimensional analysis and similiarity. [10] Treinen, Samuel. 2005. Conception, dimensionnement et fabrication d’une turbine Banki de type JLA mécano-soudée. Gramme Institute Superieur Industriel. Hamburg. [11] Sinantra, Lutfan. 2009. Tugas Akhir : Analisa Pengkondisian Udara Ruang Produksi PT.Guntner Indonesia Menggunakan Metode CLTD dan Aplikasi CFD. Jurusan Teknik Fisika ITS : Surabaya. [12]Logsdon, Nathan. 2006. A Procedure For Numerically Analyzing Airfoils And Wing Sections. The Faculty of The Department of Mechanical & Aerospace Engineering University of Missouri – Columbia. [13] http://worldofkrauss.com/foils/search [14] http://worldofkrauss.com/foils/1382 [15] http://worldofkrauss.com/foils/509 [16] Wisanto, Stefanus. 2007. Perancangan Turbin Aliran Silang Dengan Memperlihatkan Aspek Fungsional Dan Keterbuatan. Program Studi 55 Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Bandung. Bandung. [17]Costa Pereira N. H. and Borges J. E. 1995. Study of The Nozzle Flow In a Cross-flow Turbine. Mechanical Engineering Department Technical University of Lisbon. Portugal. [18] Arismunandar, Wiranto. 2002. Pengantar Turbin Gas dan Motor Propulsi. ITB Bandung. [19]Anonim. 2008. What Is Static Pressure? Dayton Electric Manufacturing Co. Dayton.
Riwayat Pendidikan : Tahun Nama Sekolah 1993 – 1999 SDN Sananwetan IV Blitar 1999 – 2002 SLTP Negeri 1 Blitar 2002 – 2005 SMA Negeri 1 Blitar 2005 – sekarang Teknik Fisika ITS Surabaya
BIODATA PENULIS
Nama : Sugeng Permadi Tempat/tanggal lahir : Blitar, 13 Juni 1986 Alamat : Keputih 1A/22 Surabaya E-mail :
[email protected]
10
