Vol. 1, No., Mei 010 ISSN : 085-8817 KINERJA TURBIN AIR TIPE DARRIEUS DENGAN SUDU HYDROFOIL STANDAR NACA 651 Mhammad Irsyad Jrsan Teknik Mesin Uniersitas Lampng email: irsyad71@nila.ac.id Abstrak Penelitian ini mengji model trbin air tipe Darries dengan sd hydrofoil berdasarkan standar NACA 651. Tjannya ntk mengetahi kinerja trbin air smb ertikal berpa torsi dan efisiensi. Model ini di ji pada salran air tertent dengan ariasi laj aliran air 0.59 m/s, 0,6807 m/s, dan 0,858 m/s serta ariasi diameter trbin yait; 8 cm, 3 cm, 36 cm dan 40 cm. Nilai torsi dan efisiensi aktal (hasil pengjian) dibandingkan dengan torsi dan efisiensi teoritik. Nilai Torsi aktal dan teoritik berbanding lrs dengan diameter trbin dan laj aliran. Torsi terbesar terjadi pada diameter trbin 40 cm dan laj aliran 0,858 m/s sebesar 0.7618 Nm (aktal). Sedangkan nilai effisiensi aktal terbesar yait pada diameter 40 dan laj aliran 0.858 m/s sebesar 14.7 %. Kata knci: Trbin air, darries, hidrokinetik, hydrofoil, NACA 651 Abstract Performance Of Darries Water Trbine With Hydrofoil Blades Naca 651. This research tested the model i.e the Darries water trbine with hydrofoil blades NACA 651l. The objectie was to estimate the performance of ertical axis water trbine in the form of torqe and efficiency. These models were tested on a specific water channel by arying the water flow rate of 0.59 m / s, 0.6807 m / s, and 0.858 m / s and the ariation of the diameter of the trbine, namely: 8 cm, 3 cm, 36 cm and 40 cm. Torqe ale and the actal efficiency (test reslts) were compared to the theoretical torqe and efficiency. Actal and theoretical torqe ale was proportional to the diameter of the trbine and the flow rate. The highest torqe trbine diameter 40 cm and a flow rate 0.858 m / s at 0.7618 Nm (actal). While the biggest actal efficiency ale is the diameter of 40 m and a flow rate 0858 / s amonted 14.7%. Keywords: trbine, darries, hydrokinetic, hydrofoil, NACA 651 1. Pendahlan Indonesia memiliki potensi energy tenaga air yang sangat besar yakni 75,67 Gwatt ntk skala besar dan 71 Mwatt ntk pembangkit sedang dan kecil. Potensi ini bar sedikit yang dimanfaatkan yakni 400 Mwatt ntk skala besar dan 06 Mwatt ntk skala kecil [1]. Potensi energi air yang dignakan adalah aliran air yang mempnyai beda ketinggian di atas meter. Aliran sngai yang membentang beberapa wilayah Indonesia belm termanfaatkan dengan baik, termask anak sngai dan salran irigasi, karena tidak memiliki beda ketinggian yang ckp. Potensi energy yang dimiliki adalah energy kinetic dari ars air yang mengalir. Penggnaan sd jenis Hydrofoil ini karena bentknya yang seperti sayap pesawat yait memiliki karakteristik berbentk blat di bagian jng (leading edge) yang kemdian tajam di bagian belakang (trailing adge) dengan kelengkngan yang asimetrik sehingga dapat mengrangi gesekan. Selain it pemilihan hydrofoil ini dignakan sebagai sd karena efektif dan mdah dalam pembatanya dan jga cocok ntk aliran datar yang tidak memerlkan air jath dengan memanfaatkan energi kinetik. Dalam penelitian ini sd yang dignakan adalah sd hydrofoil dengan menngnakan standar NACA 651 yang memiliki fitr sebagai berikt []: 1. Memiliki permkaan cembng atas, dengan bentk melengkng atas maksimm dari 13,3 persen dari cord, terjadi pada sekitar 36 persen dari tali cord dari tepi terkemka.. Memiliki permkaan yang lebih rendah cekng, dengan bentk melengkng lebih rendah maksimm,4 persen dari cord, terjadi pada sekitar 91
Vol. 1, No., Mei 010 ISSN : 085-8817 64 persen dari jarak cord dari tepi terdepan. Dalam beberapa airfoil dignakan dalam baling-baling kipas, dengan permkaan yang lebih rendah daripada rata cekng. 3. Memiliki rasio gaya lift dan drag yang bags dimana gaya lift dan drag ini dignakan ntk menghitng torsi. Tjan dari penelitian ini adalah ntk mengetahi pengarh diameter trbin air smb ertikal dan laj aliran air terhadap kinerja trbin air smb ertikal sd Hydrofoil dengan menggakan standar NACA 651 berpa torsi dan efisiensi. Selain memanfaatkan air jath dapat jga diperoleh dari aliran air datar. Dalam hal ini energi yang tersedia merpakan energi kinetik 1 E m (1) Dimana adalah kecepatan aliran air (m/s) Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikt : P 1 Q () ata dengan menggnakan persamaan kontinitas Q A maka 1 P A dengan A adalah las penampang aliran air m 3 (3) Diagram Kecepatan Diagram kecepatan yang di gnakan pada trbin air smb ertikal merpakan pendekatan dari trbin dara smb ertikal seperti yang terihat pada gambar 5. Dimana resltan ektor kecepatan (W) merpakan jmlah dari ektor kecepatan () flida dan ektor kecepatan sd () [3] [4]. W r (4) L D L D Gambar 1. Diagram kecepatan pada trbin smb ertical Dari gambar diagram kecepatan pada gambar 1 tersebt dihasilkan kecepatan yang berariasi yait kecepatan maksimm pada θ = 0 o kecepatan minimm pada θ = 180 o, dimana θ adalah posisi orbital sd. Angel of attack (sdt serang sd) adalah sdt antara resltan ektor kecepatan (W), dan ektor 9 kecepatan sd. Pertimbangan-pertimbangan geometris, resltan kecepatan ektor dan angel of attack dihitng sebagai berikt : W 1 cos (5)
Vol. 1, No., Mei 010 ISSN : 085-8817 Dimana Dimana W λ r ω sin tan 1 (6) cos r (7) = resltan ektor kecepatan (m/s) = kecepatan flida (m/s) = kecepatan sd (m/s) = tip speed ratio = jari-jari trbin (m) = kecepatan ptaran (rad/s) Gaya aerodinamis yang dihasilkan adalah lift (fl) dan drag (fd) ata normal (fn) dan tangensial (ft). Dimana Lift dan Drag dapat dihitng menggnakan persamaan sebagai berikt: 1 Dimana Fd Cd A (8) 1 Fl Cl A (9) Cd = koefisien drag Cl = koefisian lift ρ = kerapatan (kg/m 3 ) = kecepatan flida (m/s) A = las penampang (m ) Dengan memproyeksikan gaya lift dan drag sebagai gaya yang tegak lrs terhadap lengan (jarijari)trin, maka selanjtnya dapat diketahi nilai torsi (T) dengan menggnakan persmaan sebagai berikt: Dimana: T F r T F. r ( Fd.cos Fl.sin ) r (10) = torsi (Nm) = gaya tegak lrs terhadap lengan (N) = jari-jari (m) Pb ω T Hydrofoil = daya poros (watt) = kecepatan ptaran (rad/s) = Torsi (Nm) Hydrofoil adalah sebah bentk yang menyerpai sayap brng (pipih), dengan bagian depan tmpl seperti yang terliha pada gambar. Hydrofoil ini biasanya di gnakan sebagai peningkat kecepatan pada kapal lat yang diletakkan di bawah lambng kapal, karena hydrofoil dapat menghasilkan gaya angkat sehingga lambng kapal terangkat dan kelar dari air. Hal inilah yang menyebabkan pengrangan gesekan sehingga dapat meningkatkan kecepatan. Ada da penamaan pad foil ini yait pada pendisainan ntk dara disebt airfoil sedangkan ntk air disebt hydrofoil [5]. Gambar. Bentk Hydrofoil Tip Speed Ratio (λ) Tip speed ratio (λ) ata biasa di sebt tsr adalah adalah rasio antara pemtaran kecepatan dari jng blade dan kecepatan aktal air. tip speed of blade Tip speed ratio () (1) dimana adalah Kecepatan aliran air Nnilai Tip speed ratio (λ) max terjadi pada; 4 Tip speed ratio ( ) max b (13) dimana b adalah jmlah blade (sd) Dalam hal ini nilai Tip speed ratio yang paling efisiensi tinggi yait pada jmlah blad (sd) tiga dengan nilai Tip speed ratio 6-7 seperti terlihat pada gambar 9 [6]. Selanjtnya dari persamaan 10 dapat di ketahi daya poros dengan menggnakan persamaan sebagai berikt: Pb T (11) Dimana: Gambar 3. Nilai tip speed ratio 93
Vol. 1, No., Mei 010 ISSN : 085-8817 Efisiensi Trbin Efisiensi trbin didefinisikan sebagai: daya yang dihasilkantrbin daya yang tersedia pada sd penggerak. Metode Penelitian Penelitian dilakkan pada salran airdengan dimensi lebar 190 cm, tinggi 50 cm. Trbin yang dignakan tipe darries, dimana Sd trbin bentk hydrofoil dengan jmlah sd tiga bah yang mempnyai panjang 3 cm, lebar 10 cm, dan ketebalan sebagai berikt (berdasarkan Standar bentk airfoil NACA No. 651). Parameter yang dikr adalah torsi, dan ptaran trbin ntk ariasi laj aliran air 0.59 m/s, 0,6807 m/s, dan 0,858 m/s serta ariasi diameter trbin yait; 8 cm, 3 cm, 36 cm dan 40 cm. Berikt ini gambar alat ji. 3 1 Keterangan : 1. Sd hydrofoil. Salran air 3. Lengan penyangga sd Gambar 4. Skema alat ji 3. Hasil dan Pembahasan Data hasil penelitian, berpa ptaran dan torsi ntk setiap pebahan kecepatan dan diameter trbin, dignakan ntk menghitng daya dan efisiensi trbin. Hasil pengjian ini kemdian dibandingkan dengan perhitngan secara teoritik. Ptaran trbin bertambah seiring dengan kenaikan kecepatan. Pengarh diameter trbin terhadap ptaran tidak terlal besar. Ptaran terbesar di hasilkan pada laj aliran 0.858 m/s dengan diameter 8 cm dengan nilai ptaran 58.48 rpm seperti yang terlihat pada grafik gambar 5. 94 Gambar 5. Grafik hbngan laj aliran dan diameter tehadap ptaran (aktal)
Vol. 1, No., Mei 010 ISSN : 085-8817 Hbngan laj aliran dan diameter terhadap torsi teoritik dan aktal mennjkkan hbngan yang sama yait hbngan berbanding lrs. Torsi teoritik merpakan rata-rata torsi yang dihasilkan dari setiap perbahan posisi sd sebesar 10 o. Nilai torsi berbah ntk setiap pebahan posisi sampa setengah ptaran. Kondisis ini sama dengan yang dihasilkan oleh penelitian Jeronimo Zanette [7] [8]. Nilai torsi terkecil terjadi pada diameter 8 dan laj aliran 0.59 m/s dengan nilai torsi aktal 0.1414 Nm sedangkan nilai torsi teoritik 0.334 Nm dan nilai torsi terbesar terjadi pada diameter 40 cm dan laj aliran 0.858 m/s torsi aktal mempnyai nilai 0.7618 Nm sedangkan torsi teoritik mempnyai nilai 0.890 Nm. Walapn memiliki besar nilai yang berbeda dimana nilai torsi teoritik lebih besar dibandingkan nilai torsi aktal, namn kecendrngan yang diperlihatkan pada keda grafik tersebt mennjkkan kecenderngan yang sama. Meningkatnya torsi disebabkan oleh meningkatnya gaya pada sd. Peningkatan kecepatan flida akan memperbesar gaya hambat dan gaya seret, sehingga gaya yang bekerja pada sd menjadi naik. Bertambahnya diameter trbin artinya memperpanjang lengan, sehingga torsi yang dihasilkan semakin besar. berbanding lrs dimana daya poros terbesar sama-sama pada posisi diameter 40 cm dan laj aliran 0.858 m/s dan daya poros terkecil jga sama-sama pada posisi diameter 8 dan laj aliran 0.59 m/s. Perbedaan hasil yang diperoleh pada laj aliran 0.6807 m/s tersebt masih dapat diabaikan, karena pada ariabel yang lain mennjkkan hasil positif yait diameter dan laj aliran terhadap daya poros berbanding lrs, hal ini jga mennjkkan adanya korelasi antara daya poros dengan torsi dimana daya poros dihasilakan dari perkalian torsi dan kecepatan ptar (Pb = T.ω) Gambar 7. Grafik Perbadingan teoritik dan aktal pada laj aliran dan diameter terhadap daya poros Gambar 6. Grafik Perbadingan teoritik dan aktal pada laj aliran dan diameter terhadap torsi Pada gambar 7. dapat di liihat bahwa hbngan diameter dan laj aliran terhadap daya poros teoritik dan aktal mennjkkan hbngan yang liner ata Dari gambar 8. diketahi efisiensi bahwa berdasarkan ariasi laj aliran mennjkkan hbngan yang berbanding lrs dimana semakin besar laj aliran efisiensi semakin besar, namn berdasarkan diameter mennjkkan hbngan yang berbanding terbalik 95
Vol. 1, No., Mei 010 ISSN : 085-8817 dimana semakin besar diameter nilai efisiensi semakin kecil. Hal ini disebabkan oleh daya air pada trbin diameter yang lebih besar tidak temanfaatkan dengan optimal. terendam penh cocok ntk aliran sngai yang dalam dan jga di lat dengan memanfaatkan energi tidal. 4. Kesimplan Berdasarkan penelitian yang telah dilakkan diperoleh kesimplan sebagai berikt: 1. Hbngan diameter dan laj aliran terhadap torsi adalah berbanding lrs. Dimana nilai torsi terbesar aktal dan teoritik di peroleh pada dimeter 40 cm dan laj aliran 0.858 m/s dengan nilai torsi 0.7618 Nm (aktal) dan 0.890 Nm (teoritik).. Hbngan diameter dan laj aliran terhadap daya poros adalah berbanding lrs. Dimana nilai daya poros terbesar aktal dan teoritik di peroleh pada diameter 40 cm laj aliran 0.858 m/s dengan nilai daya poros 4.7379 watt (aktal) dan 4.990838 watt (teoritik). 3. Nilai effisiensi aktal terbesar yait pada diameter 40 dan laj aliran 0.858 m/s dengan nilai effisiensi 14.7 %. Nilai effisiensi teoritik terbesar yiat pada diameter 8 cm dan laj aliran 0.858 m/s dengan nilai effisiensi 4.09897 %. Daftar Pstaka Gambar 8. Grafik Perbadingan teoritik dan aktal pada laj aliran dan diameter terhadap efisiensi Efisiensi yang diperoleh pada penelitian ini mendekati sama dengan kincir air ndershot yait 0% [9]. Perl diketahi kincir air ndershot merpakan kincir air yang memanfaatkan aliran datar perbedaan dengan trbin pada penelitian ini adalah pada kincir air ndershot baling hanya terendam sebagian prinsipnya sama dengan trbin pelton dan cocok pada aliran dangkal, sedangkan pada penelitian ini sd trbin 96 [1] Ags Mlyantono, Tonny. 005. Penggnaan Energi Alternatif ntk Tenaga Listrik. PLN. Bandng [] National Adisory Committee for aeronatika. 15 Jli 009. Wikimedia Fondation, Inc. 6 Agsts 009. http://en.wikipedia.org/wiki/national_adisory _Committee_for_Aeronatics [3] Vertical axis wind trbine. 9 Jli 009. Wikimedia Fondation, Inc. 1 jli 009. http://en.wikipedia.org/wiki/vertical_axis_wind _trbine.html [4] Ardianto, T. 008. Perancangan, Pembatan Dan Pengjian Trbin Angin Tipe H Untk Penerangan Billboard. Program Stdi Teknik Mesin Fakltas Teknik Mesin Dan Dirgantara. Intitt Teknologi Bandng. [5] Hidrofoil. 17 Janari 009. Wikimedia Fondation, Inc. 7 febrari 009. http://en.wikipedia.org/wiki/hidrofoil.html [6] Tip Speed Ratio. 5 May 09. Wikimedia Fondation, Inc. 3 jli 009. http://en.wikipedia.org/wiki/tip_speed_ratio.ht ml [7] Zanette, J., Imbalt,D., Tarabi, A., 007, Flid Strctre Ineractionan Design ofwater Crrent Trbine, Proceedings of the nd IAHR
Vol. 1, No., Mei 010 ISSN : 085-8817 International Meeting of the Workgrop on Caitation and Dynamic Problems in Hydralic Machinery and Systems [8] Shimokawa, K., Frkawa, A., Okma, K., Matsshita, D., and Watanabe, S., 010, Sidewall effect of rnner casing on performance of Darries-type hydro trbine with inlet nozzle for extra-low head tilization, Science China Technological Sciences, Vol. 53 No.1: 93 99 [9] Plappally, A. K. Micro Hydro Wheel Trbo- Pmp For Canal Based Irrigation & Generation Of Electricity In Indo-Gangetic Plains. Project Assistant IIT/CIMMYT. September 009. http://www.rwc.cgiar.org/research/waterwh eel/ifad_waterwheel.pdf 97