KARAKTERISASI DAYA TURBIN PELTON MIKRO DENGAN VARIASI BENTUK SUDU

KARAKTERISASI DAYA TURBIN PELTON MIKRO DENGAN VARIASI BENTUK SUDU Bono 1) dan Indarto ) 1) Mahsiswa Program Pascasarjana Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada, Jalan Grafika No., Yogyakarta, Indonesia. ) Jurusan Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada, Jalan Grafika No., Yogyakarta, Indonesia. Telp dan Fax: (+6) 74 51 673. ABSTRAK Penelitian ini bertujuan untuk meneliti Turbin Pelton untuk Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) dengan variasi bentuk Sudu. Variasi bentuk sudu yang digunakan adalah bentuk sudu mangkuk dan bentuk sudu setengah silinder, pada nosel dengan penampang lubang lingkaran, dimana turbin ini bekerja pada tekanan atmosfir. Langkah-langkah yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi, perancangan, pembuatan, dan pengujian untuk mengetahui karakteristik Turbin. Turbin yang diuji memiliki nosel tunggal, dengan jumlah sudu 0 buah, serta perbandingan diameter ratarata (pitch) dengan diameter nosel D/d=14, dan diameter rata-rata dengan lebar sudu D/B=3,5. Dari data pengujiaan pada sudu mangkuk maupun sudu setengah silinder memiliki kecenderungan yang sama pada karakteristik daya tak berdimensi (perbandingan daya mekanik dengan daya input) dan efisiensinya. Tetapi daya tak berdimensi dan efisiensi yang dibangkitkan turbin pada sudu mangkuk sebesar 0,57 dan 57,01 %, serta pada sudu setengah silinder sebesar 0,53 dan 53,03 %. Kata kunci : Turbin Pelton, Sudu Setengah Silinder, Nosel PENDAHULUAN Latar Belakang Penyediaan energi di masa depan merupakan permasalahan yang senantiasa menjadi perhatian semua bangsa karena bagaimanapun juga kesejahteraan manusia dalam kehidupan modern sangat terkait dengan jumlah dan mutu energi yang dimanfaatkan. Bagi Indonesia yang merupakan salah satu negara sedang berkembang, penyediaan energi merupakan faktor yang sangat penting dalam mendorong pembangunan. Seiring dengan meningkatnya pembangunan terutama pembangunan di sektor industri, pertumbuhan ekonomi dan pertumbuhan penduduk, kebutuhan akan energi terus meningkat. Selama ini energi listrik disediakan oleh Perusahaan Listrik Negara (PLN), namun masih belum dirasakan secara merata oleh masyarakat terutama masyarakat pedesaan yang jauh dari jangkauan jaringan listrik. Oleh karenanya diperlukan sumber energi alternatif yang yang dapat dimanfaatkan untuk pembangkit listrik dan tersedia di lingkungan pedesaan. Salah satu sumber energi alternatif tersebut adalah mikro hidro. Perumusan Masalah Selama ini bentuk sudu turbin Pelton yang banyak digunakan adalah bentuk mangkuk (bucket), dengan ukuran dan jumlah tertentu, (gambar 1 dan gambar 3), sedang bentuk yang lain jarang digunakan. Sudu bentuk mangkuk relatif sulit dibuat dibandingkan dengan sudu yang lain misalnya sudu bentuk setengah silinder. Perubahan Daya turbin dapat diperoleh dengan berbagai cara, diantaranya melakukan perubahan dimensi, perubahan bentuk sudu, dan juga bentuk penampang noselnya. Untuk mengetahui seberapa besar pengaruh perubahan bentuk sudu terhadap daya yang dibangkitkan turbin, maka perlu dilakukan penelitian tentang perubahan bentuk sudu terhadap kinerjanya, yang awalnya berbentuk mangkuk selanjutnya diubah menjadi bentuk setengah silinder (gambar 4). Pemilihan bentuk sudu setengah silinder karena pertimbangan dalam pembuatannya relatif lebih mudah dibandingkan dengan sudu bentuk mangkuk. 187

Gambar 1. Roda jalan turbin Pelton dengan Bentuk Sudu Mangkuk; (1) sudu turbin; () baut; (3) piringan Gambar. Roda jalan turbin Pelton dengan Sudu Bentuk Setengah Silinder (1) sudu turbin; () baut; (3) piringan Gambar 3. Sudu Pelton bentuk Mangkuk yang direncanakan 188

Gambar 4. Bentuk Sudu Pelton Setengah Silinder yang direncanakan Gambar 5. Nosel Turbin Pelton yang direncanakan Gambar 6. Ujung Nosel Berpenampang Lingkaran Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah : 1. Menguji Daya turbin Pelton Mikro dengan adanya perubahan bentuk sudu. Menguji Efisiensi turbin Pelton Mikro dengan adanya perubahan bentuk sudu Tinjauan Pustaka Modifikasi nosel yang pernah dilakukan adalah dengan mengubah sudut ujung nosel dan cincin dudukan (seat ring), yang semula cincin dudukan 80 0 dengan sudut nosel sebesar 60 0 diubah menjadi cincin dudukan 90 0 dengan sudut nosel 50 0 (gambar 7). Hasil yang diperoleh dari modifikasi nosel tersebut adalah suatu peningkatan efisiensi di atas 0.5% pada kondisi 60% beban penuh dan peningkatan sebesar 0.9% pada kondisi 100% pembukaan jarum, (Matthew Gass, 00). 189

Black 80 0 seat ring Red 90 0 seat ring 60 0 needle tip 50 0 needle tip Gambar 7. Komponen nosel yang diperbaiki Agar, D dan Rasi, M, (007), melakukan pengujian turbin Pelton dengan jumlah sudu 1 buah, Jari-jari rata-rata (radius pitch) 60 mm, dan diameter nosel 6 mm, dengan beban generator DC, menghasilkan efisiensi mekanik maksimum η m = 0,45 pada debit Q=0,14 l/s, efisiensi mekanik maksimum η m = 0,47 pada debit Q=0,17 l/s, dan efisiensi mekanik maksimum η m = 0,46 pada debit Q=0,0 l/s. Hasil dalam bentuk grafik dapat dilihat pada gambar 8 Gambar 8. Efisiensi mekanik turbin Pelton sebagai fungsi kecepatan putar untuk tiga laju aliran volume yang berbeda Dasar Teori Turbin Pelton merupakan salah satu jenis turbin air yang cocok untuk daerah yang mempunyai tinggi jatuh (head) yang tinggi karena bentuk kelengkungan sudu yang tajam. Secara teori pengubahan daya hidrolik ke daya mekanis akan maksimum jika sudut sudu keluaran adalah 0 0, namun dalam prakteknya turbin Pelton dianjurkan memiliki sudut sudu keluaran 165 0 (Finnemore dan Franzini,006). Turbin Pelton terdiri dari rumah turbin (casing), roda jalan (runner) dengan sudu-sudu berada disekelilingnya, nosel, dan pipa pesat. Rumah turbin selain sebagai tempat nosel terpasang, juga berfungsi untuk mengarahkan percikan air keluar sudu sehingga tidak mengganggu roda jalan dan jet aliran keluar nosel. Roda jalan turbin Pelton berbentuk piringan yang dapat dipasang pada poros turbin, pada bagian keliling luar dari roda jalan dipasang sejumlah sudu secara seragam. Sudu mempunyai bentuk menyerupai mangkuk setengah bola dengan pemisah (spliter) dibagian tengahnya. Permukaan dari sudu dibuat sangat halus dan rata. Pemasangan sudu pada roda jalan biasanya dilakukan dengan baut. Tetapi kadang-kadang sudu dan roda jalan dicor sebagai satu kesatuan, dengan anggapan seluruh sudu akan aus dalam waktu yang bersamaan, tetapi dalam kenyataannya keausan tidak seragam. Beberapa sudu rusak terlebih dulu dan perlu diganti, hal ini dapat dilakukan hanya bila sudu dibautkan pada roda jalan. Bentuk roda jalan dapat dilihat pada gambar 1, sedangkan skema turbin Pelton dapat dilihat pada gambar 9 190

Permukaan Air Bendungan Head loss Pipa Pesat Head netto Turbin Nosel Gambar 9. skema turbin Pelton Parameter dan bagian utama dari turbin Pelton dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut : Harga kecepatan spesifik n q adalah Q n q = n... (1) 3/4 H di mana n adalah putaran turbin dalam rpm, Q adalah kapasitas aliran dalam m 3 /detik, H adalah tinggi jatuh (head) total dalam meter Kecepatan keluar nosel mengacu pada dalil Torricelli (Streeter, 1994), yang besarnya sama dengan kecepatan jatuh bebas partikel fluida dari permukaan bebasnya dan dalam bentuk persamaan, V = Cv g H..... () Debit air diukur dengan rotameter atau dengan bendung (weir) berbentuk U dengan persamaan sebagai berikut, 3 / Q = Cd B. g. H... (3) 3 Daya kinetik pancaran air P k, 1 3 Pk = ρ A n V... (4) Daya yang ditransmisikan ke sudu dari pancaran air adalah P t = m& ( V u)( 1 k cos β )u Pt = ρ A n V (V - u) (1- k.cos β ) u... (5) dimana k adalah faktor gesek permukaan sudu yang nilainya antara 0,8 sampai dengan 0,9 (Finnemore dan Franzini,006). Nosel A B Sudu u V Vr β1 u u Vr u β Gambar 10. Diagram vektor kecepatan pada sisi masuk dan sisi keluarsudu 191

Efisiensi piringan sudu dinyatakan dengan : Pt ρanv ( V u)(1 kcosβ ) u η R = = P 1 k 3 ρanv ( V u )(1 kcosβ ) u η R =... (6) V Efisiensi piringan maksimum dicapai jika harga V=u, sehingga ( 1 kcosβ ) η R, mak =... (7) Gambar 11. efisiensi runner teoritis turbin pelton terhadap perbandingan kecepatan sudu dng kecepatan jet untuk beberapa harga faktor gesek k, (Dixon, S.L.,1998) kecepatan keliling u adalah u = ϕ gh... (8) dengan harga ϕ antara 0,43 sampai dengan 0,48 (Finnemore dan Franzini,006). Diameter rata-rata roda jalan D adalah 60 u D = π n... (9) Dan diameter nosel d n adalah d n = 0,5 Q H.... (10) D Perbandingan pancaran ( m = ) adalah perbandingan antara diameter roda jalan dengan d n diameter nosel, yang nilainya bervariasi antara 11 sampai dengan 14, tergantung pada ruangan sudu (Seith & Modi, 1991) Sedangkan jumlah sudu Z adalah, Z = 5, 4 D d... (11) Geometri sudu turbin Pelton yang meliputi lebar sudu B, kedalaman sudu C, lebar bukaan sudu M, panjang sudu L, dan jarak pusat pancaran jet ke ujung sudu l secara empiris (Seith & Modi, 1991) dapat ditentukan dalam persamaan-persamaan berikut ini Lebar sudu B = (4 s.d 5) d n... (1) Kedalaman sudu C = (0,81 s.d 1,05) d n...... (13) Lebar celah sudu M = (1,1 s.d 1,5) d n..... (14) Panjang sudu 19

L = (,4 s.d 3,) d n..... (15) Jarak pusat pancaran air ke ujung sudu l = (1, s.d 1,9) d n.... (16) Sudut pancaran air masuk sudu β 1 = 5 0 s.d 8 0... (17) Sudut pancaran air keluar sudu (sudut pantul) β = 160 0 s.d 170 0... (18) β1 β Gambar 1. Dimensi sudu Metodologi Penelitian ini diawali dengan membuat turbin Pelton dengan sudu berbentuk mangkuk dan setengah silinder, serta nosel dengan bentuk penampang lingkaran dimana sudu dan noselnya dapat dibongkar-pasang pada instalasi pengujian. Instalasi pengujian terdiri dari komponen utama diantaranya pompa air, turbin Pelton, nosel, beban pada lengan torsi, dinamometer seperti terlihat pada gambar 13. Alat ukur yang digunakan dalam pengujian meliputi manometer, tachometer, alat ukur gaya, bendung (weir) atau rotameter, dan termometer. Manometer Rumah Turbin Dudukan Poros Turbin Poros Dinamometer Katup Pengatur Flens Rotameter Weir Pengukur debit Pipa Katup bypass Reservoir Pompa Roda Gambar 13 Instalasi sistem pengujian turbin Pelton 193

Pengujian yang dilakukan meliputi uji karakteristik turbin Pelton dengan bentuk sudu yang berbeda-beda serta dengan nosel berpenampang lingkaran. Parameter yang diukur dalam pengujian adalah besar laju aliran volume dengan menggunakan rotameter, tekanan pada nosel untuk mengetahui tinggi jatuh air (head) efektif, putaran turbin, beban pada lengan torsi. Parameter yang ditentukan dan merupakan variabel dalam penelitian ini adalah bentuk sudu yang berbeda-beda sebagaimana ditunjukkan pada gambar 3 dan 4, sedangkan beban dinamometer divariasikan, dan setiap variasi beban dilakukan pencatatan terhadap parameter-parameter diatas. Data hasil pengujian untuk masing-masing bentuk sudu, kemudian diolah untuk mendapatkan debit aliran air, daya kinetik, daya turbin, daya poros, dan efisiensi turbin, dan ditampilkan dalam bentuk grafik karakteristik turbin Pelton, selanjutnya dievaluasi hasil dari masing-masing bentuk sudu dan bentuk penampang nosel tersebut. HASIL DAN PEMBAHASAN Dengan menggunakan persamaan-persamaan di atas, didapat dimensi sudu sebagai berikut : B = 40 mm, C = 10 mm, M = 1 mm, L = 8 mm, β 1 = 5 0, β = 165 0, Z = 0 buah, Grafik daya yang dihasilkan turbin Pelton pada head 0 meter dan debit 0,883 ltr/detik konstan,dengan nilai k=0,85 jika dihitung dengan persamaan 5 dan berdasarkan eksperimen pada berbagai putaran turbin dapat ditunjukkan seperti pada gambar 14, sedangkan efisiensi total yaitu perbandingan daya mekanik dengan daya input pada berbagai putaran yang dihasilkan turbin dapat dilihat pada gambar 15. 160.00 Daya Mekani 140.00 10.00 100.00 80.00 60.00 40.00 0.00 0.00 0 00 400 600 800 1000 100 1400 1600 1800 000 Putaran turbin (rpm) Daya teoritis sudu mangkuk Daya teoritis sudu setengah silinder Daya mekanik sudu mangkuk Daya mekanik sudu setengah silinder Gambar 14. Daya turbin perhitungan dan eksperimen terhadap putaran turbin 194

60.00 50.00 40.00 Efisiens 30.00 0.00 10.00 0.00 0 00 400 600 800 1000 100 1400 1600 1800 000 Putaran turbin (rpm) sudu mangkuk sudu setengah silinder Gambar 15. Efisiensi total turbin terhadap putaran turbin Pada gambar 14 dan 15, untuk nosel berpenampang lingkaran daya dan efisiensi yang dikembangkan turbin menunjukkan kecenderungan yang sama yaitu daya dan efisiensi akan meningkat dengan bertambahnya kecepatan dan setelah mencapai titik optimum daya dan efisiensinya menurun. Pada putaran rendah sampai dengan putaran dimana daya mekanik mencapai maksimum, perbedaan antara daya teoritis dengan daya mekanik semakin bertambah dengan penambahan yang tidak begitu besar, namun setelah melewati daya mekanik maksimum perbedaan yang terjadi cukup besar. Ini disebabkan karena secara teori daya teoritis maksimum terjadi pada harga perbandingan kecepatan yaitu perbandingan antara kecepatan sudu dengan kecepatan jet air (ϕ=u/v) sebesar 0,5, sedangkan secara eksperimen daya mekanik maksimum terjadi pada ϕ = 0,41 Turbin dengan sudu mangkuk daya dan efisiensi maksimum yang terjadi sebesar 98,77 watt dan 57,01% sedangkan pada sudu setengah silinder sebesar 91,88 watt dan 53,03%. Sedangkan perbedaan daya antara sudu mangkuk dengan sudu setengah silinder adalah sebesar 6,89 watt atau 6,97 % terhadap sudu mangkuk. Daya dan efisiensi yang dihasilkan pada sudu mangkuk lebih besar jika dibandingkan dengan sudu setengah silinder, hal ini disebabkan karena distribusi massa air melewati sudu mangkuk memantul kembali secara halus kesegala arah, sedangkan pada sudu setengah silinder sebagian jet air memantul kembali ada yang melalui sudut tajam KESIMPULAN 1. Karakteristik daya dan efisiensi pada sudu mangkuk maupun sudu setengah silinder memiliki kecenderungan yang sama.. Daya maksimum yang dibangkitkan turbin dengan sudu mangkuk sebesar 98,77 watt, sedangkan pada sudu setengah silinder sebesar 91,88 watt. Pada kondisi ini perbedaan daya yang terjadi antara sudu mangkuk dengan sudu setengah silinder sebesar 6,89 watt, atau 6,96% terhadap sudu mangkuk. 3. Efisiensi maksimum turbin dengan sudu mangkuk sebesar 57,01%., sedangkan efisiensi maksimum dengan sudu setengah silinder sebesar 53,03 %. DAFTAR PUSTAKA Finnemore and Franzini,Tenth Edition, Fluid Mechanics with Engineering Applications, Singapure, Mc Graw-Hill 195

Matthew Gass, 00, Modification Of Nozzles For The Improvement Of Efficiency Of Pelton Type Turbines, Hetch Hetchy Water and Power, Moccasin Ca USA. Agar D., dan Rasi, M., 007, On the use of a laboratory-scale Pelton wheel water turbine in renewable energy education, Renewable Energy Seith S.M., Modi P.P., 1991, Hydraulics Fluid Mechanics and Fluid Machines, Delhi, Dhempat & Sons Streeter,V.L. dan Wylie, E.B, 1994, Fluid Mechanics, New York, McGraw-Hill. Dixon, S.L., 4 th edition 1998, Fluid Mechanics, Thermodynamics of Turbomachinery, Butterworth- Heinemann, Pergamon Press Ltd 196