STUDY EKSPERIMENTAL PENGARUH DIAMETER NOSEL TERHADAP EFISIENSI TURBIN PELTON Fikri Ihsan Daulay *), Rahmawaty, ST, MT Jurusan Teknik Mesin Sekolah Tinggi Teknik Harapan 2016 *) E-mail : fid246@yahoo.co.id ABSTRAK Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nosel, sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Pengujian ini bertujuan untuk menganalisa unjuk kerja Turbin Pelton Skala Laboratorium dengan variasi diameter nosel. Variasi diameter nosel yang digunakan adalah diameter 16 mm dan 20 mm. Langkah-langkah yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi perancangan dan pembuatan nosel, serta melakukan pengujian untuk mengetahui karakteristik Turbin. Turbin yang diuji memiliki satu nosel, dengan jumlah sudu 16 buah. Dari data pengujiaan diperoleh daya mekanik turbin (P m ) maksimum sebesar 207,6 Watt dengan efisiensi turbin (η) sebesar 69 % pada diameter nosel 20 mm. Efisiensi turbin (η) maksimum diperoleh pada pengujian dengan menggunakan diameter nosel 16 mm yaitu sebesar 82% dengan daya mekanik turbin (P m ) sebesar 180,8 Watt. Kata kunci : Turbin Pelton, Nosel, Diameter Nosel ABSTRACT Pelton turbine consists of a set of path blades are rotated by a jet of water sprayed from one or more device called a nozzle,resulting in the conversion of kinetic energy into mechanical energy. This test aims to analyze the performance of Pelton turbine laboratory scale with a variation of the nozzle diameter. Variation the diameter of the nozzle used is diameter of 16 mm and 20 mm. The steps are performed in this research includes designing and manufacture of nozzle, and conduct tests to determine the characteristics of the turbine. Turbine being tested has a nozzle, with the number of blades 16 pieces. From the data test obtained maximum mechanical power(p m ) turbine is 207,6 Wat with tthe turbine efficiency (η) at 69% on a 20 mm nozzle diameter. The maximum turbine efficiency is obtained in the test by using a nozzle diameter of 16 mm is 82% with turbine mechanical power of 180,8 Watt. Keywords : Pelton Turbine, Nozzle, Nozzle Diameter 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Dalam perkuliahan Teknik Mesin yang mana berhubungan dengan ilmu sains dibutuhkan laboratorium. Laboratorium merupakan prasarana pendidikan atau wadah proses pembelajaran, dimana dalam proses pembelajarannya melalui media praktikum yang dapat membuat mahasiswa berlatih untuk mengembangkan keterampilan intelektual melalui kegiatan pengamatan, pencatatan dan pengkajian ilmiah secara langsung. Mahasiswa tidak hanya dapat mengetahui teori-teori tetapi dapat juga mengamati secara langsung dan membuktikan sendiri sesuatu yang di pelajari. Laboratorium terdiri dari ruang yang dilengkapi dengan berbagai perlengkapan dengan bermacam-macam kondisi yang dapat dikendalikan. Turbin Pelton merupakan turbin air jenis impuls. Turbin Pelton pertama kali ditemukan oleh insinyur dari Amerika yaitu Lester A. Pelton pada tahun 1880. Turbin ini dioprasikan pada head sampai 1800 m,
turbin ini relatife membutuhkan jumlah air yang lebih sedikit dan biasanya porosnya dalam posisi mendatar. Turbin Pelton adalah turbin air yang prinsip kerjanya memanfaatkan energi potensial air menjadi energi listrik tenaga air (hydropower). ). Prinsip kerja turbin Pelton adalah mengkonversi daya fluida dari air menjadi daya poros untuk digunakan memutar generator listrik. Air yang berada di bak penampung dihisap oleh pompa dimana pompa berfungsi menghisap dan memompa air untuk dialirkan ke sudu turbin. Namun aliran air tidak langsung mengarah ke sudu. turbin melainkan harus melewati pipa-pipa saluran yang telah diberi katup buka tutup sehingga laju aliran air dapat diatur sesuai dengan yang diinginkan. Kemudian katup-katup tersebut terhubung dengan saluran nozlle. Gambar aliran masuk turbin Pelton Nozzle berfungsi sebagai pemancar air yang dipancarkan langsung ke arah sudu turbin sehingga sudu turbin berputar.. Pada sudu-sudu turbin, energi aliran air diubah menjadi energi mekanik yaitu putaran roda turbin. Apabila roda turbin dihubungkan dengan poros generator listik, maka energi mekanik putaran roda turbin diubah menjadi energi listrik pada generator. Kemudian air yang telah digunakan untuk memutar sudu turbin jatuh kedalam bak penampung untuk kembali ke tahap awal maka terjadilah sirkulasi. Nozzle merupakan salah satu bagian utama yang perlu diperhatikan. Ukuran diameter nozzle berpengaruh terhadap besarnya debit aliran fluida. kecepatan fluida, laju aliran fluida dan putaran sudu turbin sehingga semakin besar pula input daya listrik yang akan tercipta dan mempengaruhi efisiensi turbin Pelton. Beberapa penelitian dengan memodifikasi nozzle telah dilakukan banyak peneliti dan hasilnya dapat menambah kualitas aliran fluida yang dihasilkan nozzle. Sebagaimana perkembangan teknologi penulis mengembangkan turbin Pelton skala laboratorium yang telah ada dengan penambahan alat ukur digital untuk pengujian yang lebih akurat guna memenuhi kebutuhan peralatan Laboratorium Pengujian Mesin. Setelah alat tersebut selesai dirancang dan dibuat, maka penulis menganggap perlu untuk melakukan pengujian terhadap alat tersebut. 1.2 Tinjauan Pustaka Turbin adalah suatu alat yang dipergunakan untuk mengkonversikan sebuah energi menjadi energi yang lain. Turbin mengkonversikan energi yang berasal dari alam, seperti angina, air, dan gas untuk diubah menjadi energi yang lebih bermanfaat. Salah satunya adalah turbin air. Turbin air mengubah energi yang dihasilkan oleh aliran air menjadi energi listrik. Turbin air digunakan di PLTA (Pembangkit Listrik Tenaga Air) untuk mengubah energi dari air yang tertampung dibendungan untuk dikonvesrikan menjadi energi listrik yang dialirkan ke rumah masyarakat. Air merupakan sumber energi yang sangat melimpah, terlebih pada saat musim penghujan. Oleh karena itu, air perlu dimanfaatkan untuk diubah menjadi energi yang lain yaitu energi listrik. Pemanfaatan energi dari air untuk menjadi energi listrik membutuhkan suatu alat konversi energi, yaitu turbin air. Gaya potensial air akan mendorong sudu-sudu pada turbin air yang kemudian menggerakkan poros turbin dan selanjutnya akan diteruskan ke generator utnuk menghasilkan energi listrik. Berdasarkan cara turbin air tersebut merubah energy air menjadi energy punter. Turbin dibagi menjadi turbin impuls dan turbin reaksi. A. Turbin Impuls Turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya merubah seluruh energiair(yang terdiri dari energi potensial+tekanan+kecepatan) yang tersedia menjadienergi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi kinetik. Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozle. Air keluar nosel yang mempunyai kecepatan
tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impuls). Akibatnya roda turbin akan berputar. B. Turbin Reaksi Turbin reaksi disebut juga dengan turbin tekanan lebih karena tekanan air sebelum masuk roda turbin lebih besar dari pada tekanan air saat keluar roda turbin. Secara umum dapat dikatakan bahwa aliran air yang masuk keroda turbin mempunyai energi penuh, kemudian energi ini dipakai sebagian untuk menggerakkan roda turbin dan sebagian lagi dipergunakan untuk mengeluarkan air kesaluran pembuangan. 1.3 Dasar Teori 1. Perhitungan Daya Air (P 2. Perhitungan Kapasitas Air (Q) Kapasitas air diukur dengan menggunakan V-notch Weir seperti pada gambar. 1.4 Kerangka Konsep Penelitian Permasalahan : Mengetahui unjuk kerja Pelton skala laboratorium yang telah dirancang dan dibuat oleh grup sebelumnya Melakukan pengujian terhadap alat tersebut dengan variasi diameter nosel menggunakan variabel putaran poros Diameter nosel dapat mempengaruhi unjuk kerja turbin Pelton Variabel yang dibutuhkan : 1. Tinggi air pada weir (H 1). 2. Tekanan air di dalam pipa (P gauge). 3. Beban pengereman (m 1 dan m 2). 4. Putaran turbin (N) Melakukan perhitungan untuk memperoleh : 1. Kapasitas air pada (Q). 2. Head (H).. 3. Daya air (P w) 4. Daya mekanik (P m). 5. Efisiensi (η) Gambar V-notch Weir 3. Perhitungan Head (H) Head diukur dengan menggunakan Pressure Gauge Melakukan analisa terhadap hasil perhitungan 4. Perhitungan Daya Mekanik (P m ) 5. Perhiutngan Efesiensi Turbin Hasilnya : 1. Daya turbin maksimum 2. Efisiensi turbin maksimum 3. Perbandingan unjuk kerja pada variasi diameter nosel 4. Grafik karakteristik turbin Pelton
2. METODE PENELITIAN 2.1 Tempat dan Waktu Penelitian turbin air untuk skala laboratorium ini dilakukan di Laboratorium Pengujian Mesin Sekolah Tinggi Teknik Harapan. Waktu penelitian direncanakan mulai dari persetujuan yang diberikan oleh pengelola program dan komisi pembimbing, perencanaan dan pembuatan alat, pengambilan data dan pengolahan data sampai dinyatakan selesai. 2.2 Peralatan Pada penelitian ini digunakan beberapa peralatan antara lain : 1. Pressure Gauge, berfungsi untuk mengetahui tekanan air di dalam pipa. 2. Pipa PVC 2 inc, berfungsi untuk tempat mengalirkan air sampai ke turbin. 3. Katub by pass, berfungsi untuk mengatur kapasitas air. 4. Pompa, dengan kapasitas 30 m 3 /jam berfungsi untuk memindahkan air melalui pipa sebagai sumber tenaga air. 5. Reservoar, berfungsi sebagai tempat sumber air dan tempat menampung kembali air yang keluar dari saluran pembuangan. 6. Globe valve, berfungsi sebagai katub pengatur penggunaan satu nosel atau dua nosel. 7. Hydrolic Brake, alat ini berfungsi untuk mengukur torsi dan putaran poros, system unit untuk torsi (N.m) dan putaran (rpm). Jika pembebanan diberikan maka akan mengeluarkan hasil yang di tampilkan pada layar LED. Gambar Hydrolic Brake 8. Nosel, adalah mekanisme pengarah lingkaran yang mengarahkan air kearah yang diinginkan, dan juga berfungsi untuk menaikkan kecepatan pancaran air. 9. Roda Pelton, berfungsi mengubah energi air menjadi energi mekanik 10. V-Notch Weir 90 0, berfungsi sebagai alat untuk mengukur kapasitas air 11. PLX DAQ Arduino, suatu software data akuisisi yang mampu menampilkan data dan grafik secara real time yang langsung diintegrasikan ke microsoft excel dengan pembacaan sensor kecepatan putaran dan beban. Penerapan teknik pemantauan data ini dapat menghemat waktu pengolahan data Gambar PLX-DAQ 2.3 Pelaksanaan Pengujian 1. Variabel Pengamatan Dalam pengujian ini variabel yang akan diamati adalah : 1. Tinggi air pada weir (H 1 ). 2. Tekanan air di dalam pipa (P gauge ). 3. Torsi (T). 4. Putaran turbin (N) 2. Persiapan Pendahuluan Sebelum pengujian dilaksanakan, terlebih dahulu persiapkan hal hal berikut : 1. Memastikan Hydrolic Brake berfungsi dengan baik. 2. Melakukan kalibrasi alat ukur beban dengan memberikan beban yang telah ditetapkan massanya. 3. Membersihakan reservoar dari kotoran, dan mengisinya dengan air bersih minimal ¾ dari volume reservoar. 4. Menghubungkan kabel pompa ke sumber arus listrik.
5. Alat pengujian diinstal untuk pengujian dengan satu nosel serta diameter nosel 16 mm dan 20 mm 6. Memeriksa kembali instalasi alat pengujian sehingga siap untuk dipergunakan. 2. Pengambilan Data Tahap pengambilan data dapat dilaksanakan setelah seluruh tahap persiapan rampung. Pengambilan data dapat dimulai dengan : 1. Sebelum pompa dihidupkan, terlebih dahulu mengatur katub by pass pada posis terbuka O penuh, dan mengatur katub nosel pada posisi tertutup S agar tidak terjadi pancaran air secara tiba tiba pada roda turbin. 2. Menghidupkan pompa dengan menekan tombol on pada kotak panel. 3. Setelah pompa dihidupkan, kemudian membuka satu katub nosel secara perlahan hingga posisi terbuka penuh. Sementara untuk katub nosel lainnya ditutup. 4. Mengatur kapasitas air dengan menutup katub by pass secara perlahan sambil memperhatikan ketinggian air (H 1 ) pada weir konstan. Kemudian mecatat H 1 pada data sheet yang telah disediakan. 5. Membaca tekanan air dalam pipa pada pressure gauge dan mencatatnya pada data sheet. 6. Mengatur putaran poros turbin dengan menggunakan Hydrolic Brake, perolehan data putaran poros dan torsi yang diakuisisi oleh PLX DAQ langsung di import ke microsoft exel kemudian di simpan. 7. Mengulangi langkah 6 untuk variasi putaran poros turbin. 8. Mengulangi langkah 1 sampai 7 untuk pengujian dengan diameter nosel yang berbeda. dengan diameter yang bervariasi yaitu 16 mm dan 20 mm. Gambar Desain Nosel Nosel didesain menjadi tiga bagian, yaitu : - Badan nosel, berfungsi sebagai saluran air. - Kepala nosel, didesain terpisah dari badan nosel dengan menggunakan ulir bertujuan agar kepala nosel dapat ditukar dengan diameter berbeda. - Ring pengunci nosel, berfungsi sebagai pengunci nosel saat dipasang pada rumah turbin. 2.5 Data Hasil Pengujian Setelah dilakukan pengukuran, selanjutnya data data yang diperoleh dimasukkan kedalam tabel data percobaan seperti berikut ini. Tabel Data Hasil Pengujian 2.4 Metode Penelitian ini dilakukan untuk mendapatkan suatu hasil dari pengujian menggunakan satu nosel dengan variasi diameter nosel. Untuk melakukan penelitian tersebut maka terlebih dahulu dibuat nosel
3. PERHITUNGAN DAN ANALISA DATA Perhitungan data dari hasil pengujian unjuk kerja turbin Pelton yang terdiri dari perhitungan Kapasitas air (Q), Head (H), Daya air (P w ), Daya mekanik (P m ), dan Efisiensi (η). diperlihatkan pada tabel. Tabel Data asil Perhitungan dan 705 rpm daya mekanik semakin menurun. Berdasarkan hasil pengujian dan perhitungan, daya mekanik maksimum diperoleh dengan menggunakan nosel berdiameter 20 mm pada putaran 506 rpm dengan perolehan daya mekanik sebesar 207,6 Watt. Sedangkan daya mekanik minimum diperoleh dengan menggunakan nosel berdiameter 20 mm pada putaran 705 rpm dengan perolehan daya mekanik sebesar 82,64 Watt. 2. Pengaruh Putaran Terhadap Efisiensi Turbin 3.1 Analisa Data 1. Pengaruh Putaran Terhadap Daya Mekanik Turbin Dari gambar diatas. memperlihatkan daya mekanik pengujian menggunakan nosel berdiameter 16 mm terus meningkat hingga di putaran 604 rpm, namun diputaran 693 daya mekanik menurun. Sedangkan pengujian menggunakan nosel berdiameter 20 mm terjadi peningkatan daya mekanik hingga putaran 506 rpm, tetapi di putaran 596 rpm Sementara Gambar diatas memperlihatkan efisiensi pengujian menggunakan nosel berdiameter 16 mm terus meningkat hingga di putaran 604 rpm, namun diputaran 693 efisiensi menurun. Sedangkan pengujian menggunakan nosel berdiameter 20 mm terjadi peningkatan efisiensi hingga putaran 506 rpm, tetapi di putaran 596 rpm dan 705 rpm efisiensi semakin menurun. Berdasarkan hasil pengujian dan perhitungan, efisiensi maksimum diperoleh dengan menggunakan nosel berdiameter 16 mm pada putaran 506 rpm dengan perolehan efisiensi sebesar 82%. Sedangkan efisiensi turbin minimum diperoleh dengan menggunakan nosel berdiameter 20 mm pada putaran 705 rpm dengan perolehan efisiensi turbin sebesar 27 %. 4. KESIMPULAN DAN SARAN 4.1 Kesimpulan Dari hasil perhitungan dan analisa terhadap pengujian turbin Pelton skala laboratorium dengan menggunakan variasi diameter nosel, maka diperoleh kesimpulan :
1. Daya mekanik terbesar diperoleh dengan menggunakan diameter nosel 20 mm pada putaran 506 rpm yaitu sebesar 207,6 W dengan efisiensi 69% ini dikarenakan nilai torsi yang tinggi sebesar 3,92 Nm. Sedangkan daya mekanik terendah sebesar 82,64 W saat putaran 705 rpm mengunakan nosel 20 mm dan memperoleh efisiensi sebesar 27% dikarenakan nilai torsi yang rendah sebesar 1,12 Nm. 2. Efisiensi turbin terbesar diperoleh pada pengujian dengan menggunakan diameter nosel 16 mm yaitu sebesar 82% pada putaran 604 rpm ini dikarenakan daya mekanik yang cukup tinggi dan daya air yang rendah. Sedangkan efisiensi terendah sebesar 27% dengan menggunakan diameter nosel 20 mm pada putaran 705 rpm dikarenakan daya air yang tinggi namun daya mekanik yang dihasilkan cukup rendah. 3. Berdasarkan Grafik yang telah dibuat memperlihatkan karakteristik turbin Pelton dimana daya mekanik nosel berdiameter 16 mm yang semakin meningkat seiring meningkatnya putaran poros hingga di putaran 604 rpm, namun setelahnya daya menurun hingga di putaran 693 rpm. Sedangkan nosel berdiameter 20 mm menunjukkan penurunan daya setelah diputran 506 rpm. Sementara untuk efisiensi turbin Pelton menggunakan nosel berdiameter 16 mm yang semakin meningkat seiring meningkatnya putaran poros hingga di putaran 604 rpm, namun setelahnya efisiensi menurun hingga di putaran 693 rpm. Pengujian menggunakan nosel berdiameter 16 mm memperlihatkan nilai efisiensi tertinggi sebesar 82%. Sedangkan nosel berdiameter 20 mm menunjukkan penurunan efisiensi setelah diputran 506 rpm. Dengan nilai efisiensi tertinggi sebesar 69%. 4.2 Saran Untuk lebih sempurnanya pembahasan mengenai pengujian ini, maka sebaiknya : 1. Dilakukan penambahan alat ukur kapasitas air dengan menggunakan rotameter atau flowmeter untuk melihat perbedaan pengukuran dengan menggunakan weir. 2. Dilakukan perawatan terhadap komponen komponen instalasi pengujian turbin Pelton, khususnya pada sambungan pipa ke rumah turbin yang saat pengoperasian terjadi kebocoran. 5. DAFTAR PUSTAKA [1] Dietzel, Fritz. 1980. Turbin Pompa dan Kompresor. Trans. Dakso Sriyono. Jakarta : Erlangga. 1993. [2] Dixon, S.L. 1986. Mekanika Fluida, Termodinamika:Mesin Turbo. Trans. Sutanto. Jakarta: Universitas Indonesia. [3] Munson R.Bruce., Young F.Donald., Okiishi H.Theodore., 2002. Mekanika Fluida Edisi Keempat Jilid 1. Trans. Dr.Ir.Harinaldi., Budiarso, Jakarta: Universitas Indonesia. Erlangga, 2003. [4] Munson R.Bruce., Young F.Donald., Okiishi H.Theodore., 2002. Mekanika Fluida Edisi Keempat Jilid 2. Trans. Dr.Ir.Harinaldi., Ir.Budiarso, M.Eng. Jakarta : Universitas Indonesia. Erlangga, 2003. [5] Streeter L. Victor. 1985. Mekanika Fluida Edisi Delapan JIlid 1. Trans. Arko Prijono. Jakarta : Erlangga. 1996. [6] MHPG Series, Harnessing Water Power on a Small Scale, Volume 9 Micro Pelton Turbines; published by SKAT, Swiss Centre for Appropriate Technology, 1991. [7] Nechleba, Miroslav, 1957, Hydraulic Turbine Their Design and Equipment, Czeckoslavakia : Artia Pragu
[8] Finnemore and Franzini,Tenth Edition, Fluid Mechanics with Engineering Applications, Singapure, McGraw-Hill [9] S.R.Khurmi. Hydraulics,Fluid Mechanics and Hydraulics Machines.New Delhi: [10] Seith S.M., Modi P.P., 1991, Hydraulics Fluid Mechanics and Fluid Machines, Delhi, Dhempat & SonsS. [11] P.K. Nag., 2002. Power Plant Engineering Second Edition. Australia : McGraw Hill. [12] Nagpal. G.R. Power Plant Engineering Sixth Edition. Delhi- India : Khanna Publishers. 1982. [13] Maher. Phillip., Smith. Nigel. Pico Hydro for Village Power. Micro Hydro Research Group Department of Electrical and Electronic Engineering The Nottingham Trent University. Burton Street Nottingham.2001. http://eee.ntu.ac.uk/research/micro hydro/picosite [14] Layman s. How to Develop a Small Hydro Site (Second Edition). Brusel : Handbook prepared under contract for the Commission of the European Communities, Directorate-General for Energy by European Small Association(ESHA).1998.