UNJUKKERJA TURBIN AIR MIKRO ALIRAN SILANG TERHADAP VARIASI SUDUT SUDU JALAN (RUNNER) PADA DEBIT KONSTAN UNTUK PLTMH

Transkripsi

1 A.15. Unjukkerja Turbin Air Mikro Aliran Silang Terhada Variasi Sudut Sudu Jalan... (Yusuf Dewantara Herlambang) UNJUKKERJA TURBIN AIR MIKRO ALIRAN SILANG TERHADA VARIASI SUDUT SUDU JALAN (RUNNER) ADA DEBIT KONSTAN UNTUK LTMH Yusuf Dewantoro Herlambang, Gatot Suwoto, Bono Jurusan Teknik Mesin oliteknik Negeri Semarang Jl. rof. Sudarto, SH Tembalang Semarang Fax.(4) masyusufdh@yahoo.com Abstrak Tujuan ekserimental turbin air mikro aliran silang dengan variasi sudut sudu adalah menyelidiki engaruh variasi sudut sudu jalan (runner) ada turbin air mikro aliran silang terhada unjukkerja turbin ada debit konstan dan sekaligus instalasi turbin mikro aliran silang tersebut untuk roses engujian, sehingga daat diketahui kinerja dan karakteristik dari masing-masing runner turbin dengan sudut sudu yang bervariasi. Variasi itu sendiri terdiri dari turbin dengan sudut sudu (β) masing-masing adalah 5, 3, 35, dan 4. Metode yang digunakan dalam enelitian adalah erancangan dan embuatan (installing dan assembling), engujian alat, serta analisis. Turbin mikro aliran silang dengan variasi sudut sudu jalan ini memiliki dimensi yaitu diameter luar (D 1 ) 135 mm, diameter dalam (D ) 9 mm, diameter oros (d ) 19 mm dan anjang sudu 76 mm. Instalasi ada turbin mikro aliran silang tersebut terdiri dari emat komonen utama yaitu air sebagai sumber energi, turbin, generator, dan sistem eriaan. Dalam engujian, besar debit aliran fluida yang digunakan untuk memutarkan turbin mikro aliran silang diatur dengan enggunaan variasi bukaan katu hingga didaatkan data engujian yaitu beda tekanan ada venturi, temeratur air, tekanan masuk turbin, tekanan keluar turbin, torsi, utaran, tegangan dan arus yang dihasikan generator. Hasil enelitian dieroleh kinerja dari turbin air mikro aliran silang dengan sudut sudu (β) 3 memiliki efisiensi turbin yang otimum ada debit konstan,43 m 3 /s yaitu 7,57% ada ada utaran 84 rm saat embebanan 75 Watt. Sementara efisiensi maksimum turbin dengan sudut sudu 5, 35, dan 4 berturut-turut adalah 66,16%, 64,%, dan 66,94%. Kata kunci : turbin air mikro aliran silang, sudut runner, unjukkerja endahuluan otensi mikrohidro di Indonesia dierkirakan sebesar 5 MW, sementara yang telah dimanfaatkan sekitar 54 MW (Saleh, 4). emanfaatan otensi tenaga mikrohidro dikenal dengan embangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (LTMH). Selain ramah lingkungan (tidak menghasilkan emisi), LTMH diilih karena secara teknologi dan investasi daat dijangkau oleh setia emerintah daerah dan hasilnya un akan daat segera dinikmati oleh masyarakat. Komonen utama simulator LTMH terdiri dari generator listrik, instalasi ia, oma sentrifugal, reservoir, dan turbin sebagai enggerak mula. ada umumnya jenis turbin yang sering digunakan adalah turbin aliran silang (Alex Arter dkk, 1991). Turbin jenis ini dengan variasi sudut sudu engarah sudah dibuat oleh Agus Surono,dkk (Tugas Akhir, 4) dan dengan variasi jumlah sudu oleh Kurnianto, dkk (Tugas Akhir, 5). Tugas akhir ini bermaksud untuk membuat dan menguji turbin air mikro tie aliran silang dengan variasi sudut sudu 5 o, 3 o, 35 o, dan 4 o dimana telah ditetakan untuk sudut sudu yang aling baik adalah 3 o (Arter dkk, 1991). Jika ada suatu enamang mengalir suatu aliran fluida yang tak mamu mamat maka berlaku hukum kekekalan massa yang mana laju aliran massa fluida ada enamang 1 ( m1 ) akan sama dengan laju aliran massa fluida ada enamang ( m ). Gambar 1. Aliran fluida ada suatu enamang A.76

2 Keterangan : m 1 dan m d 1 dan d sehingga, = laju aliran massa ada enamang 1 dan (kg/dt) = diameter enamang 1 dan (m) m1 = m ρ 1 Q 1 = ρ Q Karena massa jenis air (ρ) sama, maka didaat ersamaan kontinuitas sebagai berikut : Q = c A = teta (1) ersamaan Bernoulli Energi aliran disetia elemen fluida yang mengalir tersusun atas tiga komonen, yaitu : energi otensial, energi keceatan dan energi tekanan. Energi aliran sering dinyatakan dalam er berat satuan yang disebut dengan Head. Sehingga, c H e = h () γ g Oleh karena energi bersifat kekal, maka : c h + + = teta (3) γ g ersamaan diatas biasa disebut ersamaan Bernoulli yang mana menyatakan bahwa ada sistem aliran manta atau seimbang dengan fluida bebas gesekan tidak terjadi kehilangan energi. erhitungan daya oros didasarkan ada (Sularso, 1991) : a. Daya runner b. utaran yang direncanakan c. Bahan oros d. Torsi yang terjadi Tegangan tarik ijin (σ a ) : σ b σ a =...(4) S f Tegangan geser ijin (τ a ) : τ a =,8 σ a...(5) Diameter oros daat dihitung sebagai berikut : 5,1 τ a Defleksi yang terjadi ada oros : T θ = G d ) { } d = ( Km M ) + ( Kt T ) Daya oros ( ) = ( max π nt 1 / 3...(6)...(7) (8) Generator Generator meruakan suatu mesin yang mengubah tenaga mekanik menjadi tenaga listrik. Tenaga mekanik tersebut digunakan untuk memutar kumaran kawat enghantar dalam medan magnet atau sebaliknya memutar magnet diantara kumaran kawat enghantar. Daya generator satu fasa adalah (Sumanto, 1984): G = V. I. cos......(9) rosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi 1 Fakultas Teknik Universitas Wahid Hasyim Semarang A.77

3 A.15. Unjukkerja Turbin Air Mikro Aliran Silang Terhada Variasi Sudut Sudu Jalan... (Yusuf Dewantara Herlambang) Efisiensi Efisiensi meruakan erbandingan antara daya outut dengan daya inut. Secara umum besarnya efisiensi daat dinyatakan dengan ersamaan berikut (Zuhal, 1991) : outut η = 1 % (1) inut Sehingga efisiensi ada runner, oros, turbin, generator dan sistem LTMH adalah sebagai berikut : a. Efisiensi runner (η r ) r η r = 1 % h (11) b. Efisiensi oros (η ) η = 1 %....(1) r c. Efisiensi turbin (η T ) η T = 1 % (13) h d. Efisiensi generator (η G ) G η G = 1 % (14) e. Efisiensi sistem LTMH ( η S ) G η S = 1 % (15) h Metodologi elaksanaan rancang bangun ini dilakukan melalui langkah-langkah sebagai berikut : Secara teknik, engamatan langsung dilakukan di laboratorium Teknik Energi oliteknik Negeri Semarang dengan melihat, membandingkan dan menentukan komonen-komonen yang dierlukan dari alat hasil enelitian sebelumnya. Selanjutnya melakukan survei ke asaran untuk komonen yang akan digunakan. a. erancangan Meruakan erencanaan komonen-komonen ada LTMH seerti turbin mikro aliran silang, rangka, oma sentrifugal, generator, instalasi ia dan reservoir. b. engerjaan dan embuatan roses engerjaan meliuti embuatan komonen-komonen ada LTMH seerti turbin mikro aliran silang, rumah turbin, rangka, nosel, instalasi ia dan reservoir. Selanjutnya melakukan erakitan komonen yang digunakan menjadi instalasi engujian sistem embangkit listrik tenaga mikrohidro. c. engujian Uji yang dilakukan meliuti uji karakteristik turbin air mikro aliran silang dengan variasi sudut sudu. Hasil uji berua grafik karakteristik runner turbin yang selanjutnya dikaji unjuk kerjanya. d. Analisis Data hasil engujian kemudian diolah untuk mendaatkan debit aliran air, daya kinetik ancaran air dari nosel, daya oros, dan efisiensi turbin dan ditamilkan dalam bentuk grafik karakteristik turbin Cross Flow (hubungan antara utaran turbin dengan daya mekanik atau daya oros, hubungan antara utaran turbin dengan daya generator, hubungan antara efisiensi turbin dengan utaran turbin dan hubungan antara efisiensi sistem dengan utaran turbin dari masing-masing turbin dengan sudut sudu yang bervariasi). A.78

4 Desain simulator LTMH sebagai berikut : Generator Alat ukur torsi Manometer Bourdon Rumah turbin oma Sentrifugal Saluran embuangan Reservoir Gambar. Desain simulator LTMH Hasil dan embahasan Karakteristik turbin aksial daat diketahui melalui grafik hubungan antara utaran dengan daya mekanik, hubungan antara utaran dengan efisiensi turbin, hubungan antara debit dengan daya mekanik dan hubungan antara debit dengan efisiensi turbin dari masing-masing turbin dengan jumlah sudu yang bervariasi. Grafik yang dibuat berdasarkan data yang dieroleh dari engujian dan erhitungan. Hasil Analisa Data ada Debit Konstan (Watt) n (rm) β 1 = 5 β = 3 1 β 1 = 35 β 1 = 4 rosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi 1 Fakultas Teknik Universitas Wahid Hasyim Semarang A.79

5 A.15. Unjukkerja Turbin Air Mikro Aliran Silang Terhada Variasi Sudut Sudu Jalan... (Yusuf Dewantara Herlambang) Gambar 3. Grafik daya oros ( ) terhada utaran (n) ada turbin mikro aliran silang sudut sudu (β 1 ) 5 o, 3 o, 35 o dan 4 o ada grafik daya oros ( ) terhada utaran turbin (n), daat dilihat bahwa trend kurvanya semakin naik sebanding dengan enurunan utaran turbin yang disebabkan oleh enambahan beban. Turbin dengan sudut sudu (β 1 ) 3 o memiliki daya oros tertinggi yaitu sebesar 175,33 Watt ada utaran 84 rm dengan embebanan 75 Watt. Dari trend kurva daya oros diatas daat diketahui bahwa daya oros sudah daat mencaai titik otimum, dimana daya oros turbin mengalami enurunan setelah mencaai titik uncak. G (Watt) β 1 = 5 β 1 = 3 β 1 = 35 β 1 = 4 n (rm) Gambar 4. Grafik daya generator ( G ) terhada utaran (n) ada turbin mikro aliran silang sudut sudu (β 1 ) 5 o, 3 o, 35 o dan 4 o ada grafik daya generator ( G ) terhada utaran turbin (n), daat dilihat bahwa trend kurvanya semakin naik sebanding dengan enurunan utaran turbin yang disebabkan oleh enambahan beban. Turbin dengan sudut sudu (β 1 ) 3 o memiliki daya generator tertinggi yaitu sebesar 184,71 Watt ada utaran 93 rm dengan beban 55 Watt. Dari trend kurva daya generator diatas daat diketahui bahwa daya generator sudah daat mencaai titik otimum, dimana daya generator mengalami enurunan setelah mencaai titik uncak. 7 5 β 1 = 5 β 1 = 3 β1 = 35 β1 = 4 ηt (%) n (rm) Gambar 5. Grafik efisiensi turbin (η T ) terhada utaran (n) ada turbin mikro aliran silang sudut sudu (β 1 ) 5 o, 3 o, 35 o dan 4 o A.

6 ada grafik efisiensi turbin (η T ) terhada utaran turbin (n), daat dilihat bahwa trend kurvanya semakin naik sebanding dengan enurunan utaran turbin yang disebabkan oleh enambahan beban. Turbin dengan sudut sudu (β 1 ) 3 o memiliki efisiensi turbin tertinggi yaitu sebesar 7,57 % ada utaran 84 rm dengan beban 75 Watt. Dari trend kurva efisiensi turbin diatas daat diketahui bahwa efisiensi turbin sudah daat mencaai titik otimum, dimana efisiensi turbin mengalami enurunan setelah mencaai titik uncak. ada grafik efisiensi sistem (η S ) terhada utaran turbin (n), daat dilihat bahwa trend kurvanya semakin naik sebanding dengan enurunan utaran turbin yang disebabkan oleh enambahan beban. Turbin dengan sudut sudu (β 1 ) 3 o memiliki efisiensi sistem tertinggi yaitu sebesar 74,338 % ada utaran 93 rm dengan beban 55 Watt. Dari trend kurva efisiensi sistem diatas daat diketahui bahwa efisiensi sistem sudah daat mencaai titik otimum, dimana efisiensi sistem mengalami enurunan setelah mencaai titik uncak. 7 ηs (%) β 1 = 5 β 1 = 3 β1 = 35 β1 = n (rm) Gambar 6. Grafik efisiensi sistem (η S ) terhada utaran (n) ada turbin mikro aliran silang sudut sudu (β 1 ) 5 o, 3 o, 35 o dan 4 o Kesimulan 1. Rancang bangun ini menghasilkan turbin mikro aliran silang dengan variasi sudut sudu 5 o, 3 o, 35 o, dan 4 o dengan dimensi yaitu diameter luar (D 1 ) 135 mm, diameter dalam (D ) 9 mm, diameter oros (d ) 19 mm dan anjang sudu 76 mm.. ada engujian debit konstan,43 m 3 /dt, turbin mikro aliran silang yang telah dibuat sudah daat mencaai titik otimumnya. Efisiensi turbin otimum yang telah dicaai untuk turbin dengan sudut sudu (β 1 ) 5 o, 3 o, 35 o dan 4 o berturut-turut adalah 66,16 % ; 7,57 % ; 64, % dan 66,94 %. Dengan demikian turbin mikro aliran silang dengan sudut sudu (β 1 ) 3 o memiliki efisiensi turbin tertinggi yaitu sebesar 7,57 % ada utaran 84 rm saat embebanan 75 Watt. 3. Dari engujian debit konstan yang telah dilakukan dieroleh sesifikasi turbin sebagai berikut :Turbin mikro aliran silang sudut sudu (β 1 ) 5 o, Efisiensi otimum ada :n= 865 rm, Q=,43 m 3 /dt, He= 19,61 m. Turbin mikro aliran silang sudut sudu (β 1 ) 3 o, Efisiensi otimum ada :n= 84 rm, Q=,43 m 3 /dt, He= 19,61 m. Turbin mikro aliran silang sudut sudu (β 1 ) 35 o, Efisiensi otimum ada :n=871 rm, Q=,43 m 3 /dt, He=19,61 m, Turbin mikro aliran silang sudut sudu (β 1 ) 4 o, Efisiensi otimum ada : n=858 rm, Q=,43 m 3 /dt, He= 19,61 m. rosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi 1 Fakultas Teknik Universitas Wahid Hasyim Semarang A.81

7 A.15. Unjukkerja Turbin Air Mikro Aliran Silang Terhada Variasi Sudut Sudu Jalan... (Yusuf Dewantara Herlambang) Ucaan Terima Kasih Ucaan terima kasih kami samaikan atas kerjasamanya keada seluruh tim eneliti (ak Sahid, ak Ismin TR atas bantuannya) dan mahasiswa, serta Unit enelitian dan engabdian keada Masyarakat (UM) yang telah membiayai enelitian engembangan ini melalui dana DIA Adm. Umum OLINES tahun 7. Daftar ustaka Arter, Alex dkk, 1991, edoman Rekayasa Tenaga Air, SKAT, Jakarta. Dedi K, Agustinus dkk, 5, Rancang Bangun Turbin Mikro Aliran Silang Melalui Variasi Jumlah Sudu Untuk Mendaatkan Efisiensi Otimum Turbin, oliteknik Negeri Semarang, Semarang. Dietzel, Fritz dan Dakso Sriyono, 1988, Turbin oma Dan Komresor, Erlangga, Jakarta. Hartanto, N Sugiarto dan Takeshi Sato, 1996, Menggambar Mesin Menurut Standar ISO, T radnya aramita, Jakarta. Sularso dan Kiyokatsu Suga,, Dasarerencanaan & emilihan Elemen Mesin, T radnya aramita, Jakarta. Sumanto, M.A. Drs, 1984, Mesin Arus Searah, Andi Offset, Yogyakarta. Streeter, Victor L dkk, 1991, Mekanika Fluida, Erlangga, Jakarta. Zuhal, 1991, Dasar Tenaga Listrik, ITB, Bandung. A.8