VARIASI JARAK NOZEL TERHADAP PERUAHAN PUTARAN TURIN PELTON Rizki Hario Wicaksono, ST Jurusan Teknik Mesin Universitas Gunadarma ASTRAK Efek jarak nozel terhadap sudu turbin dapat menghasilkan energi terbaik. entuk sudu turbin pelton, debit air, dan tekanan air yang keluar dari nozel akan memberi impuls yang baik untuk menghasilkan putaran turbin. Tujuan studi ini mengetahui efek perubahan jarak nozel terhadap sudu turbin guna menghasilkan putaran tercepat dan pengaruh diameter nozel terhadap putaran sudu turbin. Karakteristik model sudu turbin pada variasi jarak nozel dapat menghasilkan efisiensi yang tinggi. Model turbin pelton berdiameter 12,8 cm, lebar sudu 5 cm sejumlah 16 buah dengan dua macam bentuk ukuran nozel berdiameter ujung dalam 6 mm dan 8 mm digunakan dalam penelitian ini. Dengan variasi jarak nozel, ukuran nozel, dan debit air, mulai dari debit rendah menuju tinggi dilakukan pengambilan data. Hasil yang menunjukan hubungan antara putaran turbin dengan debit air dan jarak nozel ditampilkan dalam grafik. entuk dan diameter nozel yang sesuai terhadap bentuk sudu turbin dapat menghasilkan performa turbin yang maksimal.nilai koefisien gesek). 1. Pendahuluan Ilmu mekanika fluida sangat berperan penting dalam mengetahui karakteristik fluida saat mengalir. Secara umum fluida terbagi menjadi 2 yaitu fluida Newtonian : fluida yang kekentalannya hanya dipengaruhi temperatur dan fluida non- Newtonian : fluida yang kekentalannya bukan saja dipengaruhi oleh temperatur tetapi dipengaruhi juga oleh perubahan kecepatan aliran dan waktu pemakaian. Fluida dapat mengalir di dalam pipa dengan kecepatan yang diinginkan bila hambatan yang terjadi di dalam pipa tersebut dapat diatasi. Kerugian energi yang di butuhkan untuk memindahkan fluida disebut kerugian jatuh tekanan. Kerugian jatuh tekanan yang membutuhkan energi dapat direduksi dengan pengurangan hambatan dalam Laju Aliran Volume Laju aliran volume disebut juga debit aliran (Q) yaitu jumlah volume aliran per satuan waktu. Debit aliran dapat dituliskan pada persamaan sebagai berikut : Dimana nilai Q tergantung dari luas penampang (A) dari fluida mengalir dan kecepatan aliran fluida (V). Selain itu debit aliran (Q) bisa juga didapat dari persamaan Dimana debit adalah jumlah volume fluida yang mengalir dalam periode waktu tertentu. Viskositas Viskositas (kekentalan) adalah ukuran ketahanan fluida terhadap tegangan geser pada dinding dimana fluida tersebut mengalir. Viskositas fluida ini dipengaruhi oleh banyak hal, misalnya temperature, konsentrasi larutan, bentuk partikel, dll. Viskositas dinyatakan dalam dua bentuk, antara lain : 1
2 a) Viskositas dinamik Viskositas dinamik adalah perbandingan tegangan geser dengan laju perubahannya, besar nilai viskositas dinamik tergantung dari faktor seperti yang dijelaskan sebelumnya. b) Viskositas kinematik Viskositas kinematik adalah perbandingan viskositas dinamik terhadap density (kerapatan) massa jenis dari fluida tersebut. Fluida Newtonian akan terus mengalir dan viskositas fluida tidak berubah sekalipun terdapat gaya yang bekerja pada fluida. Viskositas fluida akan berubah jika terjadi perubahan temperatur. Pada fluida Non-Newtonian viskositasnya ditentukan oleh Apperant Viscosity (kekentalan sesaat) karena fluida Non- Newtonian tersebut memiliki suatu sifat histerisis, hal ini disebabkan sulitnya mencari viskositas aslinya. Aliran Laminar dan Turbulen Aliran laminar didefinisikan sebagai aliran fluida yang bergerak dalam lapisan-lapisan atau lamina-lamina dengan satu lapisan meluncur secara lancar pada lapisan yang bersebelahan dengan saling bertukar momentum secara molekuler saja. Kecenderungan ke arah ketidakstabilan dan turbulensi diredam habis oleh gayagaya geser viskos yang memberikan tahanan terhadap gerakan relatif lapisanlapisan fluida yang bersebelahan. Dalam aliran turbulen, partikel-partikel fluida bergerak dalam lintasan-lintasan yang sangat tidak teratur, dengan mengakibatkan pertukaran momentum dari satu bagian fluida ke bagian fluida yang lain. Aliran turbulen dapat berskala kecil yang terdiri dari sejumlah besar pusaranpusaran kecil yang cepat yang mengubah energi mekanik menjadi ketidakmampubalikan melalui kerja viskos, atau dapat berskala besar seperti pusaran-pusaran besar yang berada di sungai atau hempasan udara. Pusaranpusaran besar membangkitkan pusaranpusaran yang kecil yang pada gilirannya menciptakan turbulensi berskala kecil. Aliran turbulen berskala kecil mempunyai fluktuasi-fluktuasi kecil kecepatan yang terjadi dengan frekuensi yang tinggi. Pada umumnya, intensitas turbulensi meningkat dengan meningkatnya ilangan Reynolds. ilangan Reynolds ilangan Reynolds adalah bilangan yang tak berdimensi yang digunakan untuk menentukan sifat pokok aliran, apakah laminar atau turbulen. Reynolds menemukan bahwa aliran selalu menjadi laminar bila kecepatannya diturunkan sedemikian sehingga bilangan Re lebih kecil dari 2000. Untuk instalasi pipa biasa, aliran akan berubah dari laminar menjadi turbulen dalam daerah bilangan Re dari 2000 sampai 4000 (Steeter, V.L., 1996). Di atas nilai 4000 akan menghasilkan aliran turbulen dan intensitas turbulensi meningkat dengan meningkatnya ilangan Reynolds. Untuk pipa bundar yang mengalir penuh berlaku persamaan : 2. Metodelogi Perancangan Pembuatan Sketsa Turbin Pelton ini menggunakan aplikasi bernama Google SketchUp 8 dimana perancangan dan ukuran dituangkan dalam bentuk gambar tiga dimensi yang dapat disesuaikan dengan design sehingga memudahkan dalam proses pembuatan turbin pelton. Tahap awal adalah pembuatan sketsa rangka dimana rangka adalah bagian utama dalam pembuatan komponen turbin dimana rangka harus memiliki kekuatan serta ketahanan terhadap beban yang ditopangnya. Selain harus memiliki kekuatan serta ketahanan rangka juga didesign seringan mungkin agar nantinya mudah dipindah-pindahkan. Setelah membuat sketsa rangka maka tahap selanjutnya adalah membuat skema proses kerja turbin dan laju aliran fluida
3 dimana fluida yang digunakan adalah air. Energi dari air inilah yang nantinya akan digunakan untuk memutar sudu pada turbin sehingga menjadi energi mekanik. Aluminium ADC 12. Dari tahap-tahap yang telah direncanakan tersebut, maka didapatkan ukuran nozel untuk turbin air pelton yang sesuai dengan yang diharapkan. Dalam rancangan nozel Turbin Pelton ini, dirancang dengan menggunakan data-data yang diperoleh dari rancangan Runer yang kemudian dituangkan dalam media gambar google sketcup 8. Gambar 1. Design Rangka Turbin Pembuatan Design Turbin Air yang mengalir mempunyai energi yang dapat digunakan untuk memutar sudu turbin. Prinsip kerja turbin pelton adalah mengkonversi daya fluida dari air menjadi daya poros untuk digunakan memutar generator listrik, dimana energi potensial air disemprotkan oleh nozel ke sudu untuk dirubah menjadi energi mekanik yang digunakan untuk memutar poros generator. nozel merupakan mekanisme pancaran yang berbentuk melengkung yang mengarahkan air sesuai dengan arah aliran yang direncanakan dan mengatur aliran air. Fungsi utama nozel adalah untuk mengubah tekanan air menjadi suatu kecepatan aliran atau untuk mengubah tekanan air menjadi suatu kecepatan aliran, yang digunakan untuk memutar runer. entuk nozel sangat mempengaruhi performa turbin, didalam perancangan sebuah nozel turbin pelton ini memerlukan beberapa tahap mulai dari menentukan ukuran runer dan sudu dengan menggunakan data yang telah ada setelah itu perlu dilakukan perhitunganperhitungan yang berkaitan dengan nozel itu sendiri, yaitu meliputi perhitungan diameter ujung nozel, kecepatan aliran air pada ujung nozel, panjang ujung nozel. ahan yang digunakan untuk nozel turbin pelton ini adalah menggunakan paduan Gambar 2. Design 3. Pembahasan dan Perhitungan Pengujian ini dilakukan dengan berbagai tahap mulai dari proses persiapan pengujian, sampai dengan proses akhir yaitu pengujian kemampuan turbin tersebut berputar untuk mencapai putaran sesuai dengan yang diinginkan. Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam melakukan proses pengujian diantarnya : Mengukur Volume Air (V) Mengukur Volume Air terhadap pengaruh diameter nozel dan derajat bukaan katup. Pada tahapan pengujian ini didapatkan perbedaan volume air dimana diameter nozel yang lebih besar menghasilkan volume air yang lebih banyak dibandingkan nozel dengan diameter yang lebih kecil. Sehingga sementara dapat disimpulkan nozel yang berdiameter lebih besar dapat menghasilkan debit air yang besar.
4 Model A Tabel 1. Volume Air (V) Diameter ukaan ml Derajat Katup 50 500 60 680 70 890 80 930 12mm 90 1100 50 820 memutarkan sudu lebih cepat mencapai kurang lebih 1742 RPM pada bukaan katup 90 dibandingkan dengan nozel yang memiliki ukuran diameter lebih kecil yang dapat memutarkan sudu hanya sebesar kurang lebih 1585 RPM pada bukaan katup yang sama. erikut perbandingan putaran yang dihasilkan setelah dilakukan pengujian dapat dilihat pada tabel 2 dibawah ini. Model Tabel 2. Putaran Sudu (RPM) Diameter ukaan Derajat Katup RPM 50 823 60 1130 60 936 14mm 70 1370 80 1620 90 1740 A 12mm 70 1065 80 1382 90 1585 50 1310 50 836 60 1720 60 978 A + dan 70 2240 80 2615 90 2820 14mm 70 1145 80 1489 90 1742 Mengukur Putaran Sudu (RPM) Dengan mengukur putaran sudu dengan menggunakan tachometer seperti pada gambar dapat mengetahui pengaruh besar diameter nozel dan derajat bukaan katup. Pada tahapan pengujian ini didapatkan perbedaan putaran sudu dimana nozel yang memiliki diameter lebih besar dapat A + dan 50 890 60 1034 70 1278 80 1536
5 4. Kesimpulan 90 1764 Dari hasil pengujian dan pengamatan yang telah dilakukan pada perancangan turbin pelton yang telah dibuat maka di dapat kesimpulan sebagai berikut : 1.Diameter nozel yang lebih besar menghasilkan volume air yang lebih banyak dibandingkan nozel dengan diameter yang lebih kecil. Sehingga sementara dapat disimpulkan nozel yang berdiameter lebih besar dapat menghasilkan volume air yang besar yaitu 0,00056 m³/s. 2.Perbedaan putaran sudu dimana nozel yang memiliki diameter lebih besar dapat memutarkan sudu lebih cepat mencapai kurang lebih 1742 RPM pada bukaan katup 90 dibandingkan dengan nozel yang memiliki ukuran diameter lebih kecil yang dapat memutarkan sudu hanya sebesar kurang lebih 1585 RPM pada bukaan katup yang sama. 3.Dari data pengujian yang telah diolah untuk mencari debit aliran dan kecepatan aliran dapat dilihat bahwa semakin besar bukaan katup maka debit yang dihasilkan lebih besar, atau dengan kata lain semakin besar bukaan katup maka volume fluida akan semakin tinggi per satuan waktu. Dalam pengujian ini ada beberapa faktor yang mempengaruhi hasil pengambilan data untuk menentukan debit aliran seperti, ketepatan pengambilan volume dengan gelas ukur agar dalam proses penampungan tidak ada air yang tumpah dan ketepatan pengambilan waktu penampungan. 4.Sementara untuk kecepatan aliran yang telah didapatkan dari pengolahan data dapat disimpulkan bahwa semakin besar bukaan katup, maka kecepatan aliran fluida akan cenderung meningkat. Kecepatan yang telah didapatkan akan mempengaruhi ilangan Reynolds kerena kecepatan aliran merupakan fungsi pembilang dalam ilangan Reynolds, sehingga semakin cepat aliran fluida yang mengalir di dalam pipa pengujian (pipa bulat) maka nilai bilangan Reynolds akan cenderung meningkat atau menunjukan kecenderungan turbulen pada saat ilangan Re mencapai 4519 keatas. 5.ilangan Reynolds cenderung meningkat karena dipengaruhi peningkatan kecepatan aliran fluida. Hal ini menunjukan semakin terjadi peningkatan kecepatan aliran fluida, maka aliran dalam pipa akan cenderung turbulen. Dalam pengujian ini kecepatan aliran (v) yang berfungsi sebagai pembilang di dalam ilangan Reynolds sangat mempengaruhi karakteristik dari aliran fluida yang mengalir di dalam pipa pengujian. Daftar Referensi Ridwan, Mekanika Fluida Dasar, Penerbit Gunadarma, Jakarta, 1999. Reuben M. Olso, Steven j. Wraight. Essentials of Engineering Fluid Mechanics. Harper & Row Publisher, inc, 1990 Victor I, Streeter, Fluid Mechanics. McGraw-Hill, Inc. 1985. Fritz Dietzel, Dakso Sriyono, Turbin Pompa dan Kompresor, Penerbit Erlangga, Jakarta, 2006 http://home.carolina.rr.com/microhydro http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/l ayman2.pdf http://en.wikipedia.org/wiki/francis_turbin http://gunawananeva.wordpress.com http://lingolex.com/bilc/engine.htm