Eksergi Jurnal Teknik Energi Vol 8 No. 1 Januari 2012; 14-19 KAJIAN EKSPERIMENTAL TURBIN TURGO DENGAN VARIASI SUDUT NOSEL Bono Prodi Teknik Konversi Energi, Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Semarang Jl. Prof. H. Sudarto, S.H., Tembalang, Kotak Pos 6199 SMS, Semarang 50329 Telp. 7473417, 7466420 (Hunting), Fax.7472396, E-mail : bno_ba61@yahoo.co.id Abstrak Penelitian ini bertujuan meneliti Turbin Turgo untuk Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) dengan variasi kemiringan sudut nosel pada perbandingan jet, yaitu perbandingan antara diameter tusuk piringan (pitch diameter) dengan diameter nosel (D/d)=13. Turbin yang diuji memiliki nosel tunggal, dengan diameter nosel d=13,6 mm, jumlah sudu Z=20 buah, dan variasi sudut kemiringan nosel sebesar 15 0, 20 0, 25 0. Penelitian ini diawali dengan membuat turbin Turgo yang terdiri dari runner, rumah turbin, dan nosel. Runner turbin terdiri dari piringan dan sudu turbin berbentuk setengah sudu turbin Pelton. Rumah turbin dilengkapi dengan nosel yang berfungsi sebagai pengarah aliran dan pembangkit jet, sedangkan runner dan noselnya dapat dibongkar-pasang pada instalasi pengujian. Parameter yang diukur dalam pengujian adalah debit aliran, tekanan pada nosel, putaran dan torsi poros turbin. Hasil penelitian terhadap masing-masing runner turbin pada head 30 m dan debit 1,5398 ltr/s menunjukkan bahwa pada sudut kemiringan nosel sebesar 20 0 menghasilkan daya mekanik dan efisiensi total terbesar dibandingkan dengan sudut kemiringan nosel 15 0 dan 25 0, yaitu efisiensi maksimum 31,87 %, daya mekanik 282,01 watt, yang terjadi pada putaran 1000 rpm. Kata kunci : Turgo, sudut kemiringan nosel 1. PENDAHULUAN 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. Energi listrik yang disediakan oleh P.T.Perusahaan Listrik Negara (PT.PLN) sampai saat ini masih belum dirasakan secara merata oleh masyarakat terutama masyarakat pedesaan yang jauh dari jangkauan jaringan listrik. Beberapa desa yang belum terjangkau listrik dari PT.Perusahaan Listrik Negara memiliki potensi mikrohidro yang belum dimanfaatkan Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat, karena pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik (pada air mengalir). Tenaga air (Hydropower) adalah energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran air di sungai. Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya head (beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar dari kincir air/turbin air) dan debit air. Ketinggian dan kapasitas aliran merupakan faktor utama didalam menentukan jenis turbin air yang akan dipergunakan. Selama ini pembangkit listrik skala mikro menggunakan turbin air jenis Pelton, dan Crossflow, sedangkan turbin Turgo sendiri masih jarang dijumpai di Indonesia. Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 15 s/d 300 m (Anagnostopoulos dan Papantonis, 2008). Seperti turbin Pelton, turbin Turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nosel membentur sudu pada sudut 20 o. Air masuk melalui salah satu sisi penggerak dan kemudian akan keluar dari sisi yang lain. Selain itu turbin Turgo juga 14
Kajian Eksperimental Turbin Turgo Dengan Variasi Sudut Nosel (Bono) dapat menampung air yang tidak terbatas, berbeda dengan turbin Pelton yang daya tampung dari air yang akan melalui sudu yang terbatas dikarenakan arah air yang meninggalkan sudu berlawanan dengan arah air yang akan menuju ke sudu. Sehingga kecepatan putar turbin Turgo lebih besar dari turbin Pelton, akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan. Turbin Turgo adalah salah satu jenis turbin impulse yang sesuai untuk menggantikan turbin Pelton nosel ganda (multi nozzle) dengan head rendah maupun turbin Francis dengan head tinggi. Turbin Turgo dapat bekerja pada head menengah antara 15 sampai dengan 300 m. (Anagnostopoulos dan Papantonis, 2008). Turbin Turgo terdiri dari rumah turbin dan runer turbin atau roda jalan. Rumah turbin dilengkapi dengan nosel berpenampang lingkaran. Rumah turbin selain berfungsi untuk penempatan nosel dan runer turbin juga untuk mengarahkan aliran jet keluar sudu melalui saluran pembuangan. Nosel berfungsi untuk menghasilkan jet aliran dengan cara mengubah head tekanan menjadi head kecepatan. Runer turbin terdiri dari piringan dan sudu-sudu yang dipasang pada sekeliling piringan dengan cara dibaut atau di cor menjadi satu kesatuan (Gambar 2). Sudu-sudu turbin berfungsi untuk mengubah energi kinetik jet aliran dari nosel menjadi energi mekanik berupa putaran turbin. Potensi mikrohidro dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik melalui sistem pembangkit listrik tenaga mikrohidro. Sistem ini terdiri dari komponen utama reservoir, turbin air skala mikro, generator listrik, dan instalasi pipa. Turbin air berfungsi untuk mengubah energi kinetik air menjadi energi mekanik berupa putaran turbin. Energi mekanik ini kemudian digunakan untuk memutar generator sehingga menghasilkan energi listrik. Turbin air yang cocok digunakan untuk sistem pembangkit listrik tenaga mikrohidro adalah turbin jenis impuls. Sistem mikrohidro telah dikembangkan di beberapa negara untuk memenuhi kebutuhan listrik di daerah pedalaman antara lain Peltric Set di Nepal, Columbian Alternator System di Kolombia, dan Pico Power Pack di Amerika. Ketiga sistem tersebut menggunakan turbin impuls sebagai penggerak (Maher and Smith, 2001). Turbin impuls yang hingga kini masih digunakan dibuat oleh Alan Lester Pelton pada tahun 1875. turbin ini kemudian dikenal dengan turbin Pelton. Turbin Pelton terdiri dari roda jalan (runner) yang di sekelilingnya dipasang sudu, dan nosel berpenampang lingkaran. Selain turbin Pelton, jenis turbin impulse lainnya adalah turbin Turgo yang awalnya dipatenkan oleh European company pada tahun 1919. Turbin Turgo adalah jenis turbin yang sesuai untuk menggantikan turbin Pelton nosel ganda (multi nozzle) dengan head rendah maupun turbin Francis dengan head tinggi. Turbin Turgo dapat bekerja pada head menengah antara 15 sampai dengan 300 m. (Anagnostopoulos dan Papantonis, 2008). Anagnostopoulos dan Papantonis, (2008), menyarankan beberapa harga dimensi utama turbin Turgo adalah sebagai berikut (gambar 3) : lebar piringan putar arah aksial B=1,45d; lebar sudu bagian masuk b1=1,2d. Sedangkan skema runner dan segitiga kecepatan turbin Turgo dapat diperlihatkan pada gambar 1 dan gambar 2. Gambar 1. runner turbin Turgo, (Anagnostopoulos dan Papantonis, 2008) 15
Eksergi Jurnal Teknik Energi Vol 8 No. 1 Januari 2012; 14-19 a b Gambar 2. Konfigurasi runner turbin Turgo (a).runner, (b).segitiga kecepatan (Anagnostopoulos dan Papantonis, 2008) dilakukan secara numerik maupun eksperimen. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kualitas aliran jet berpengaruh pada distribusi tekanan dan medan kecepatan pada permukaan sudu sehingga daya dan efisiensi turbin akan berubah. Matthew Gass (2002), telah memodifikasi nosel dengan 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 4). Perubahan sudut dudukan dan ujung jarum berdampak pada ukuran diameter jet pada berbagai kondisi langkah jarum. Besar kecilnya diameter jet air akan berpengaruh pada daya yang dibangkitkan turbin. Modifikasi nosel ini menghasilkan suatu peningkatan efisiensi di atas 0.5% pada kondisi 60% beban penuh dan peningkatan sebesar 0.9% pada kondisi 100% pembukaan jarum. Pada penelitian ini bentuk nosel yang digunakan mengacu pada modifikasi nosel yang dilakukan oleh Matthew Gass. Dimensi utama piringan turbin Turgo berdasarkan gambar 3, dapat ditentukan dengan ketentuan sebagai berikut : S 1, 2xd D s (min) = 6xd R=1,5xd D s (optimum) = (9 s.d.10)xd v= 1,16xd D s (mak) = tidak terbatas Gambar 3. Skema dimensi runner turbin Turgo Kualitas aliran jet yang dihasilkan oleh nosel dapat mempengaruhi kinerja turbin. Penelitian tentang hal ini dilakukan oleh Kvicinsky dkk (2002), dimana analisis aliran jet pada permukaan sudu turbin Gambar 4. Komponen nosel yang dimodifikasi (Matthew Gass, 2002) Turbin Turgo pernah dibuat di, Sri Lanka (Investigation of Turbine Design, Sri Lanka Picohydro Series, 2006) dengan menggunakan bahan pipa baja. Sudu terbuat dari pipa baja berdiameter 55 mm, yang dipotong memanjang, menjadi tiga bagian sama besar. Pipa berdiameter 55 mm, untuk diameter dalam turbin, dan pipa berdiameter 115 mm, untuk diameter luar turbin, yang dipotong secara radial/melingkar. Kedua bagian pipa yang telah dipotong tersebut kemudian disatukan dengan cara dilas, 16
Kajian Eksperimental Turbin Turgo Dengan Variasi Sudut Nosel (Bono) dengan potongan pipa melingkar berfungsi sebagai diameter dalam dan diameter luar turbin, dan potongan pipa memanjang berfungsi sebagai sudu. Sudu mempunyai dimensi sebagai berikut; sudut masuk 40 0, sudut keluar 20 0, panjang sudu 25 mm, jarijari kelengkungan sudu 22,5 mm. (gambar 5 dan 6). Pada proses pembuatan turbin ini kesulitan yang dihadapi adalah bagaimana caranya agar diameter dalam dan diameter luar turbin dapat konsentris (satu sumbu). Gambar 5. Sisi masuk turbin Turgo instalasi pengujian. Bagian depan rumah turbin dibuat dari lembaran akrilik. Hal ini dimaksudkan agar fenomena yang terjadi di dalam runer dapat diamati. Instalasi pengujian (gambar 9) terdiri dari komponen utama pompa air, turbin Turgo, nosel, Generator listrik atau dinamometer, beban turbin, dan instalasi perpipaan, yang dilengkapi alat ukur pengujian meliputi manometer, rotameter, tachometer, termometer dan alat ukur torsi. Pengujian yang dilakukan meliputi uji karakteristik turbin, dimana perbandingan jet dibuat sebesar 13, dengan sudut kemiringan nosel dapat diatur mulai dari sudut 15 0 sampai dengan 25 0. Hasil uji berupa grafik karakteristik turbin untuk masing-masing sudut kemiringan nosel Parameter yang diukur dalam pengujian adalah debit aliran, tekanan pada nosel, putaran turbin dan torsi poros turbin. Parameter yang ditentukan dan merupakan variabel dalam penelitian ini adalah sudut kemiringan nosel yaitu 15 0, 20 0, 25 0, Beban turbin divariasikan dan setiap variasi dilakukan pencatatan terhadap parameter-parameter diatas. Gambar 6. Sisi keluar turbin Turgo 2. METODE PENELITIAN Penelitian ini diawali dengan membuat turbin Turgo yang terdiri dari runner turbin dan rumah turbin. Runner turbin terdiri dari piringan dan sudu turbin. Runer yang dibuat dari bahan aluminium dengan sudu berjumlah 20 buah, Rumah turbin dilengkapi dengan nosel yang berfungsi sebagai pengarah aliran dan pembangkit jet, dimana sudut kemiringan noselnya dapat diatur. sedangkan runner dan noselnya dapat dibongkar-pasang pada Gambar 7. Sudu Turbin Turgo Gambar 8. Runner turbin Turgo 17
Eksergi Jurnal Teknik Energi Vol 8 No. 1 Januari 2012; 14-19 1.Bak buangan 2. Runner turbin 3. Nosel 4. Rumah turbin 5. Kerangka 6. Generator AC 7. Flow meter 8. Selang fleksibel 9. Manometer Gambar 9. Instalasi pengujian turbin Turgo 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Piringan putar (runner) turbin yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai dimensi sebagai berikut : lebar sudu bagian masuk sebesar b1=33 mm, lebar piringan putar arah aksial B=28,5 mm, kedalaman sudu 13,3 mm, sudut masuk sudu 1 =40 0, sudut keluar sudu 2 =10 0, jumlah sudu Z=20 buah, sedangkan diameter nosel d=13,6 mm, diameter pitch piringan putar dibuat sebesar D=185 mm. Grafik hubungan antara daya mekanik, efisiensi total terhadap putaran turbin pada berbagai sudut kemiringan nosel (15 0, 20 0, 25 0 ), dan pada tekanan (head) 30 meter serta debit 1,5398 ltr/s dapat dilihat seperti pada gambar 10 dan gambar 11, berikut : efisiensi total (η s ). Terdapat 3 kurva yang membedakan sudut nosel 15 0, 20 0, dan 25 0 dengan head 30 meter. Ketiga kurva memiliki kecenderungan yang sama yaitu efisiensi total meningkat dengan berkurangnya putaran turbin hingga mencapai titik puncak, yang kemudian turun bersamaan dengan menurunnya putaran turbin. Pada gambar 10 terlihat bahwa kurva efisiensi pada sudut kemiringan nosel sebesar 15 0 dan 20 0 terlihat hampir berimpit, ini menunjukkan bahwa pada kedua harga sudut kemiringan nosel tersebut tidak begitu berpengaruh terhadap harga efisiensi total. Berdasarkan kurva pada gambar diatas dapat diketahui bahwa turbin Turgo dengan sudut tumbukan nosel tertentu pada debit konstan dan head tertentu pula akan menghasilkan efisiensi sistem yang berbeda. Pada gambar 10 yaitu pada sudut tumbukan nosel 15 0 dengan head 30 meter dan dengan debit aktual 1,5398 ltr/s menghasilkan efisiensi sebesar 31,14% pada putaran 980 rpm. sedangkan pada sudut tumbukan nosel 20 0 dihasilkan efisiensi total optimal sebesar 31,87 %, dengan putaran 1000 rpm, dan pada sudut tumbukan nosel 25 0 dihasilkan efisiensi total sebesar 24,67%, pada putaran 1000 rpm. Dari kurva tersebut dapat terlihat bahwa efisiensi tertinggi yang dapat dicapai oleh turbin terjadi pada posisi kemiringan sudut nosel sebesar 20 0. Gambar 10. hubungan antara efisiensi total dan putaran turbin Pada gambar 10, menunjukkan grafik hubungan antara putaran turbin dengan Gambar 11. Hubungan antara P m dan putarana turbin 18
Kajian Eksperimental Turbin Turgo Dengan Variasi Sudut Nosel (Bono) Pada gambar 11 menunjukkan grafik hubungan antara putaran turbin dengan daya mekanik (P m ). Terdapat 3 kurva yang membedakan antara sudut nosel 15 0, 20 0, dan 25 0 dengan head 30 meter yaitu seperti yang terlihat pada ketiga grafik diatas. Ketiga kurva memiliki kecenderungan yang sama yaitu daya mekanik meningkat dengan berkurangnya putaran turbin hingga mencapai titik puncak, yang kemudian turun bersamaan dengan menurunnya putaran turbin. Berdasarkan kurva pada gambar diatas dapat diketahui bahwa turbin Turgo dengan head tertentu pada debit konstan dan variasi sudut tumbukan nosel tertentu pula akan menghasilkan daya mekanik yang berbeda. Pada gambar 11 yaitu pada head 30 meter dan dengan debit aktual 1,5398 ltr/s, pada sudut tumbukan nosel 15 0 menghasilkan daya mekanik sebesar 259,10 Watt pada putaran 980 rpm, sedangkan pada sudut tumbukan nosel 20 0 dihasilkan daya mekanik optimal sebesar 282,01 Watt, dengan putaran 1000 rpm, dan pada sudut tumbukan nosel 25 0 dihasilkan daya mekanik optimal sebesar 261,30 Watt, pada putaran 1000 rpm. Dari kurva tersebut dapat terlihat bahwa daya mekanik tertinggi yang dapat dicapai oleh turbin terjadi pada posisi kemiringan sudut nosel sebesar 20 0 DAFTAR PUSTAKA Anagnostopoulos, J.S., dan Papantonis, D.E., 2008, Flow Modeling and Runner Design Optimization in Turgo Water Turbines, International Journal of Applied Science, Engineering and Technology 4;3 Kvicinsky S, JL Kueny, F Avellan, E Parkinson. 2002. Experimental and Numerical Analysis of Free surface flows in A Rotating Bucket. Proceedings of the xxi st IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems. Lausanne Maher P and N Smith. 2001. Pico Hydro for Village Power. Practical Manual for Schemes Up To 5 kw in Hilly Areas. Edition 2 Matthew Gass,2002, Modification Of Nozzles For The Improvement Of Efficiency Of Pelton Type Turbines, Hetch Hetchy Water and Power, Moccasin Ca USA. 4. KESIMPULAN Dari hasil pengujian dan analisa, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : a. Turbin Turgo dapat beroperasi secara optimum pada sudut kemiringan nosel 20 0. b. Daya mekanik (P m ) tertinggi yang dapat dicapai adalah sebesar 282,01 watt, terjadi pada sudut kemiringan nosel sebesar 20 0. dan pada putaran 1000 rpm. c. Efisiensi total ( s ) tertinggi yang dapat dicapai adalah sebesar 31,87 % terjadi pada sudut kemiringan nosel sebesar 20 0 dan pada putaran turbin 1000 rpm. 19