STUDY EKSPRIMENTAL PENGARUH JUMLAH SUDU TERHADAP EFISIENSI TURBIN PELTON Syofyan Riandi Jurusan Teknik Mesin Jl. HM. Jhoni No. 70 Medan Telp./Fax. (061) 7366804 7368470 Email : Syofyanriandi@gmail.com Abstrak Turbin Pelton terdiri dari satu set roda pelton 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 jumlah sudu. Variasi jumlah sudu yang digunakan adalah 13 buah dan 16 buah. Langkah-langkah yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi pengujian terhadap sudu 13 buah dengan 16 buah untuk mengetahui karakteristik, daya mekanik, dan efisiensi pada Turbin. Turbin yang diuji dengan satu nosel, dengan jumlah 13 buah dan sudu 16 buah. Dari data pengujiaan diperoleh daya mekanik turbin (P m ) maksimum sebesar 180,8 Watt dengan efisiensi maksimum turbin (η) sebesar 82 % pada jumlah sudu 16 buah. Efisiensi turbin (η) minimum diperoleh pada pengujian dengan menggunakan jumlah sudu 13 buah yaitu sebesar 49% dengan daya mekanik turbin (P m ) sebesar 108,53 Watt. Maka, sudu 16 buah lebih efisien digunakan dari pada sudu 13 buah. Kata kunci : Turbin Pelton, Sudu, Jumlah Sudu Pelton's turbine consists of a set of pelton wheels that are rotated by a sprayed water jet from one or more devices called nozzles, resulting in the conversion of kinetic energy into mechanical energy. This test aims to analyze the performance of Pelton Turbine Scale Laboratory with variation of the number of blades. Variations of the number of blades used are 13 pieces and 16 pieces. The steps undertaken in this study include testing of 13 pieces of blades with 16 pieces to determine the characteristics, mechanical power, and efficiency of the turbine. Turbines were tested with one nozzle, with 13 pieces and 16 pieces of blades. From the test data obtained the maximum mechanical power of turbine (Pm) of 180.8 Watt with maximum efficiency of turbine (η) of 82% at the number of 16 blades. The minimum turbine efficiency (η) is obtained on the test by using the number of 13 blades of 49% with turbine mechanical power (Pm) of 108.53 Watt. Thus, 16 pieces of blades are more efficiently used than the 13 blades. Keywords: Pelton Turbine, Sudu, Number of Sudu PENDAHULUAN Dalam perkuliahan Teknik Mesin yang mana berhubungan dengan ilmu sains dibutuhkan laboratorium. Laboratorium adalah prasarana pendidikan atau wadah proses pembelajaran dimana dalam proses pembelajarannya melalui praktikum yang dapat membuat mahasiswa berlatih mengembangkan keterampilan intelektual melalui kegiatan pengamatan, pencatatan dan pengkajian. 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. Sudu merupakan salah satu bagian utama yang perlu diperhatikan. Jumlah sudu dapat mempengaruhi kinerja sebuah turbin pelton dan juga mempengaruhi efisiensi turbin Pelton.sudu mempunyai fungsi penting dalam turbin pelton yaitu sebagai sarana merubah energi air menjadi energi mekanik. Beberapa penelitian dengan memodifikasi sudu telah dilakukan banyak peneliti dan hasilnya dapat meningkatkan efisiensi turbin pelton. Penelitian ini secara umum bertujuan untuk mengetahui unjuk kerja turbin Pelton skala laboratorium dengan menggunakan diameter nosel 16 mm dengan pengurangan jumlah sudu dari 16 buah menjadi 13 buah. Dimana dalam pengujiannya dilakukan dengan variabel putaran poros dan secara khusus peneletian ini,menggunakan jumlah sudu 16 buah dengan 13 buah dengan variasi kecepatan yang berbeda, secara eksperimental akan dicoba untuk mengetahui : 1. Daya mekanik maksimum. 2. Efisiensi turbin maksimum. 3. Karakterisitk turbin Pelton melalui grafik. Adapun manfaat dari penelitian ini adalah : 1. Menghasilkan informasi ilmiah dalam pengujian prestasi turbin pelton dengan pengurangan jumlah sudu 16 buah menjadi 13 buah. 2. Sebagai pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi khususnya bidang konversi energi dan energi berkelanjutan. 3. Mahasiswa lainnya yang ingin mengembangkan hasil penelitian ini serta dapat dijadikan sebagai pembanding dalam pembahasan pada topik yang sama. TINJAUAN PUSTAKA Turbin air adalah turbin dengan air sebagai fluida kerja. Air mengalir dari tempat yang lebih tinggi menuju tempat yang lebih rendah. Dalam hal tersebut air memiliki energi potensial. Dalam proses aliran di dalam pipa, energi potensial berangsur-angsur berubah menjadi energi kinetik. Di dalam turbin energi kinetik air diubah menjadi energi mekanis, dimana air memutar roda turbin. Pengertian Turbin Pelton Turbin pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Hal ini dikemukakan oleh Lester Pelton Allan pada 1870-an. Turbi pelton lebih disukai untuk hidro-listrik, ketika sumber air yang tersedia mempunyai head yang relatif tinggi pada tingkat aliran rendah.roda pelton dapat dibuat dalam semua ukuran. Unit terbesar sampai 200 MW. Roda pelton yang kecil, dapat digunakan untuk menyadap kekuatan dari sungai gunung yang mengalir seperti saluran irigasi. Prinsip Kerja Turbin Pelton Turbin Pelton bekerja sebagai mengkonversikan daya fluida dari air menjadi daya poros untuk digunakan memtar generator listrik. Turbin pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nozzle. Nozzle merupakan mekanisme pancaran yang berbentuk lengkung yang mengarahkan air sesuai dengah arah aliran yang direncanakan dan mengatur aliran airnya. Kinerja Turbin Pelton Turbin air yang diteliti adalah peralatan mekanisme berbentuk roda pada poros vertikal. Turbin air ini memanfaatkan kecepatan aliran. Air yang masuk dan keluar turbin tidak mempunyai tekanan lebih. Dalam pengujian turbin pelton hasil yang diharapkan adalah mendapatkan daya dan efisiensi. Proses perhitungan dengan mempergunakan persamaan berikut ; Perhitungan Daya Air (P w ) (1) P w =daya yang diberikan oleh air (W) ρ = massa jenis fluida (kg/m 3 ) Q = kapasitas air (m 3 /s) H = ketinggian efektif (m) g = gaya gravitasi (m/s 2 ) Perhitungan Kapasitas Air (Q)
Kapasitas air diukur dengan menggunakan V-notch Weir V-notcj Weir 90 0 (2) H = H 1 H 0 H 0 = jarak takik dari dasar weir (m) H 1 = ketinggian permukaan air dari dasar weir (m) Perhitungan Head (H) Head diukur dengan menggunakan Pressure Gauge (m/s 2 ) (3) p pipe = tekanan pada pipa ( kgf/cm 2 = 0,98 x 10 5 Pa) ρ = massa jenis fluida (kg/m 3 ) g = gaya gravitasi Perhitungan Daya Mekanik (P m ) (4) P m = daya mekanik turbin (W) N = putaran turbin (rpm) T = torsi pada poros(nm) Perhiutngan Efesiensi Turbin (5) METODE PENELITIAN Alat dan Bahan a. Instalasi Turbin Pelton b. Instlasi Pompa c. Alat Ukur - Preasure gauge untuk mengetahui tekanan air dalam pipa. - Pipa PVC 2 inc untuk tempat mengalirkan air sampai ke turbin. - Katub by pass untuk mengartur (2.34) kapasitas air. - Pompa dengan kapsitas 30 m/jam untuk memindahkan air melalui pipa sebagai sumber tenaga air. - Reservoar untuk tempat sumber air dan tempat menampung kembali air yang keluar dari saluran pembuangan. - Globe valve untuk mengatur katub penggunaan satu nozel atau dua nozel. - Nozel untuk mekanisme pengarah lingkaran yang mengarahkan air ke arah (2.35) yang di inginkan dan sebagai kecepatan pancaran air. - Roda pelton untuk mengubah energi air menjadi energi mekanik. - V-Notch Weir 90 untuk mengukur kapasitas air. - Hydrolic Brake untuk mengukur torsi dan putaran poros. - PLX DAQ Arduino sesuatu software data akuisi yang mampu (2.36) menampilkan data dan grafik secara real time yang langsung ditampilkan ke microsoft excel. Variabel Penelitian Variabel yang digunakan pada penelitian ini terdiri dari ; variabel bebas, variabel terikat, variabel terkontrol. a. Variabel Bebas Variabel bebas adalah variabel yang ditentukan nilainya sebelum dilakukan penelitian terdiri dari;
1. Variasi diameter sudu : sudu diameter 12,13, dan 14. 2. Debit air : 84 m 3. Putaran turbin dikondisikan konstan pada 700, 600, 500, 400, dan 300. b. Variabel Terikat Variabel yang nilai sangat tergantung pada variabel bebas dan merupakan hasil dari peneltian,berikut : 1. Daya mekanik maksimum 2. Efisiensi mekanik maksimum 3. Krakteristik turbin pelton dengan grafik c. Variabel Tercontrol Putaran turbin yang ditentukan untuk mengukur besaran gaya ( 20,30,40,50,dan 60 ) 1. Jumlah sudu 3 buah 2. Sudut sudu dikondisikan pada posisi 10 derjat 3. Sudut pengarah aliran dikondisikan konstan pada posisi 25 derjat Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian dilakukan di laboratorium mesin Sekolah Tinggi Teknik Harapan pada tanggal 23 desember 2016. Prosedur Penelitin 1. Menyiapkan dan memasang semua instalasi penelitian. 2. Memasang alat ukur yang dibutuhkan. 3. Mengecek kondisi alat ukur beserta alat pendukung lainnya. 4. Menvariasikan bentuk sudu turbin sesuai dengan bentuk sudu yang telah ditetapkan yaitu sudu 13 dan sudu 16. 5. Menyiapkan pengujian dengan nosel diameter 16mm. 6. Mengatur debit air dengan cara perhitungan dan pengukuran saat pengisian. 7. Mengukur putaran turbin pada sudu 13 dengan variasi kecepatan 300 rpm, 400 rpm, 500 rpm, 600 rpm, dan 700 rpmdan juga mengukur torsi pada pada setiap variasi kecepatan. 8. Pengukuran berikut diakukan juga dengan sudu 16 sebagai pembandingnya. 9. Mengolah data penelitian yang didapatkan. 10. Mengolah dan menganalisa data penelitian yang didapatkan untuk mengetahui hubungan antara variabel yang telah ditentukan. 11. Menarik kesimpulan dari hasil penelitian yang dilakukan. Instalasi Alat Penelitian Pembahasan Hasil Penelitian Dari hasil pengolahan data kemudian dilakukan pembahasan hasil penelitian dengan tujuan untuk mendapatkan grafik daya dan efisiensi supaya yang membaca penulisan ini medah memahaminya dan dapat melihat fenomena yang terjadi dari hasil penelitian yang dilakukan. Pada penelitian ini teknik analisa data menggunakan PLX DAQ dimana penelitian yang sudah dilakukan sudah di selesaikan dengan program tersebut yaitu grafik dan data yang sudah ada pada microsoft office excel sesuai denga sudu yang telah di tentukan.
Dari data tabel tersebut kemudian dijadikan dalam bentuk grafik daya turbin. Hubungan antara daya dan torsi pada kedua variasi bentuk sudu seperti berikut : 200 150 100 50 0 158,8 150 180,8 5154,4 129,3 151,5 142,9 108,5 120,8 132,3 9 2 7 305 503 700 29639 49 604693 Sudu= 13 Sudu= 16 D = 13 Grafik variabel putaran terhadap daya mekanik Pada penelitian ini diberikan 2 variasi sud yaitu jumlah sudu 13 dan jumlah sudu 16. Berdasarkan hasil pengujian dan perhitungan, daya mekanik maksimum diperoleh dengan menggunakan jumlah sudu 16 buah pada putaran 604 rpm dengan perolehan daya mekanik sebesar 180,8 watt. Sedangkan daya mekanik minimum diperoleh dengan menggunakan jumlah sudu 13 buah pada putaran 305 rpm dengan perolehan daya mekanik sebesar 108,5 watt. Maka dari hasil pengujian menggunakan jumlah sudu 16 lebih bagus di gunakan dari pada jumlah sudu 13 buah, dengan daya mekanik ini dapat mempengaruhi efisiensi pada setiap putaran. 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 72 68 82 70 58 64 68 49 60 54 305405503601700 296394496604693 D = 16 Sudu=1 3 Sudu=1 6 D = 13 D = 16 Grafik variabel putaran terhadap efisiensi Berdasarkan hasil pengujian dan perhitungan, efisiensi maksimum diperoleh dengan menggunakan jumlah sudu 16 pada putaran 604 rpm dengan efisiensi 82,9%. Sedangkan efisiensi turbin minimum dengan jumlah sudu 13 pada putaran 305 rpm dengan efisiensi 49 %.Maka menggunakan jumlah sudu 16 lebih bagus dari pada sudu 13 buah.maka dari pengujian ini jumlah sudu sangat mempengaruhi efisiensi turbin pelton. Kesimpulan Hasil penelitian menunjukan adanya pengaruh jumlah sudu terhadap daya dan efisiensi turbin pelton yaitu sudu 16 memiliki daya dan efisiensi lebih tinggi dibandingkan dengan sudu 13 buah.pada sudu 16 buah daya dan efisiensi meningkat pada 180,8 watt dan 82 % sedangkan sudu 13 buah hanya 108,5 watt dan 49 %. Daftar Pustaka [1] Dietzel, Fritz. 1980. Turbin Pompa dan Kompresor. Trans. Dakso Juml ah sudu [bua h] D No 13 16 16 16 sel H 0 H 1 [m [m m] ] [m] 1 1 84 84 P ga uge [ba r] 1,1 1,1 Tor si N [N [rp m] m] 1,9 5 700 2,4 5 601 2,8 5 503 3,0 5 405 3,4 0 305 2,0 9 693 2,8 6 604 3,0 6 496 3,2 1 394 3,9 296 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] Fikri Ihsan Daulay. Pengaruh Diameter Nosel Terhadap Jumlah Efisiensi Turbin Pelton. Medan. 2016. [5] Budi Mahendra. Pengaruh Jumlah Sudu Terhadap unjuk Kerja Turbin Pelton. Malang.2013.