Eksergi Jurnal Teknik Energi Vol 8 No. 2 Mei 2012; 47 - 55 47 Pengaruh Jumlah Nosel terhadap Unjuk Kerja Turbin Pelton Mikro Untuk Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro Sahid, Sunarwo, F. Gatot Sumarno Program Studi Teknik Konversi Energi, Politeknik Negeri Semarang Jl. Prof. Sudarto, SH Tembalang Semarang Fax.(024) 7472396 E-mail : shda@plasa.com Abstrak The object of this research is to study the influence ofnumber ofnozzle to performance of the micro pelton turbine was used in the micro hydro electric powerplant system. The research was conducted by testing the characteristic of micro pelton turbin. The number ofNozzleusedinthepeltonturbinewasvariated.Thatisone,two,andthreenozzles, where the cross-sectional of nozzle area isequal so they had the same ofinput energy. Theresultintheformofturbinecharacteristictoeachamountnozzlewascompared andanalysed.Resultofexaminationshowedthatthesumupofnozzleeffectsto performanceofturbine.Peltonturbinewiththe amountofnosel2resultedthebiggest maximumpowerofturbine.Basedoncharacteristictheoptimumdidnotyetcanbe reached.Itmeansthirdturbinestilloperateonthelowdischargeandheadare.This research recommend to use one nozzle on the pelton turbin in small-flow of jetand use two nozzles higher flow of jet. Keyword: micro Pelton Turbine, number ofnozzle, power ofturbine PENDAHULUAN Sumberenergiyangmudahtersedia saat ini adalah minyak bumi. Namun sumber energi ini sangat mahal dan termasuk sumber energiyangtakterbarukan.Olehkarenanya diperlukan sumber energi alternatifyang dan murahdanterbarukan.Salahsatusumber energialternatiftersebutadalahmikrohidro. Potensi mikrohidro di Indonesia diperkirakan sebesar460MV,sedangyangtelah dimanfaatkansekitar64MV(Zulkarnain dkk,2003).DiJawaTengahsendiri, berdasarkanpenelitianyangdilakukanoleh DinasPertambangandanEnergiPropinsi JawaTengahpadatahun2002,terdapat24 lokasididaerahpelosokyangtidak terjangkauolehjaringanlistrikPLN, mempunyaipotensisumberenergi mikrohidroyangbelumdimanfaatkan. Kendalayangdihadapimasyarakatadalah tidaktersedianyaturbinairskalamikrodi pasaran.Sementarapengetahuanmasyarakat tentang teknologi turbin air sangat rendah. Potensimikrohidrodapat dimanfaatkanuntukmenghasilkanenergi listrikmelaluisistempembangkitlistrik tenagamikrohidro.Sisteminiterdiridari komponenutamaturbinairskalamikro, generatorlistrik,daninstalasipipa.Turbin airberfungsiuntukmengubahenergikinetik airmenjadienergimekanikberupaputaran turbin.Energimekanikinikemudian digunakanuntukmemutargenerator sehinggamenghasilkanenergilistrik.Turbin airyangcocokdigunakanuntuksistem pembangkitlistriktenagamikrohidroadalah turbinjenisimpuls.Sistemmikrohidrotelah dikembangkandibeberapanegarauntuk memenuhikebutuhanlistrikdidaerah pedalamanantaralainPeltricSetdiNepal, ColumbianAlternatorSystemdiKolombia, danPicoPowerPackdiAmerika.Ketiga sistemtersebutmenggunakanturbinimpuls sebagai penggerak (Maher and Smith, 2001).Turbinimpulspertamakalidibuat olehAlanLesterPeltonpadatahun1830. turbininikemudiandikenaldenganturbin pelton.Turbinpeltonterdiridarirodajalan (runner) yang di sekelilingnya dipasang sudu Pengaruh Jumlah Nosel terhadap Unjuk Kerja Turbin Pelton Mikro (Sahid, dkk) 48 berbentukHemispherical,dansebuahnosel berpenampanglingkaran.Efisiensiturbin peltonbisamencapai80persen.Michell telahberhasilmeningkatkanefisiensiturbin peltondenganmemodifikasibentuksudu pelton (Bellis, 2002). Bentuk sudu roda jalan turbinPeltondanMichelldapatdilihatpada Gambar 1 dan 2. Bonodkk.(2003)membuatturbin mikrodenganbentukmangkokdannosel sepertiyangtelahdibuatolehPelton,namun efisiensiturbinyangtelahdibuatmemiliki efisiensiyangrendahsehinggaturbinini belumbisaditerapkandimasyarakat.Usaha untukmemperbaikiturbininisangatperlu agardapatdimanfaatkanolehmasyarakat, terutamamasyarakatpelosokyangtidak terjangkaulistriktetapimemilikipotensi mikrohidro. Kinerjaturbindipengaruhikualitas aliran jet yang dihasilkan oleh nosel. Kulaitas aliranjetakanberpengaruhterhadap karakteristikaliranselamaberinteraksi denganpermukaansudu(bucket).Penelitian tentang hal ini dilakukan oleh Kvicinsky dkk (2002),dimanaanalisisaliranjetpada permukaansuduturbindilakukansecara numerikmaupuneksperimen.Noselyang dipakaidalampenelitiantersebutadalah tunggaldanberpenampanglingkaran.Hasil penelitianmenunjukkanbahwakualitas aliran jet berpengaruh pada distribusi tekanan danmedankecepatanpadapermukaansudu sehinggadayadanefisiensiturbinakan berubah. StaublidanHauser(2004) memvisualisasikanaliranjetkeluarnosel berpenampanglingkarandalamberbagai bentukdivergendengancaramemodifikasi dalamberbagaisudutjarumgovernor. Divergensi jet ternyata berpengaruh terhadap karakteristikjetpadapermukaansudu.Hasil modifikasi menunjukkan peningkatan kinerja turbin,yangberartimodifikasigeometri noseldapatmenambahkualitasaliranjet yangdihasilkannosel.(a)(b) Gambar 1. (a) Bentuk sudu Michell; (b) bentuk sudu Pelton (a) (b) Gambar 2. (a) Roda jalan turbin Michell; (b) Roda jalan turbin Pelton Eksergi Jurnal Teknik Energi Vol 8 No. 2 Mei 2012; 47 - 55 49 Nonoshitadkk.(2004)meneliti perilakualiranjetakibatperubahanlaju aliran(flowrate)dantinggijatuhair(head). Hasilpenelitianmenunjukkandistribusi kecepatan aliran jet sangat tergantung dengan jumlahlajualirandanmeningkatnyahead menyebabkanmeningkatnyadiameterjet. Penambahan diameter jet, untuk input energi yangsamamenyebabkanmenurunnya efisiensi turbin. Modifikasigeometrinoseljuga dilakukanolehSahiddkk.(2005)dengan mengubahbentukpenampangnoselmenjadi segiempat,sepertiterlihatpadaGambar3. Penampangnoseldivariasikanmenurutrasio panjangdanlebarsegiempat(R),masing-masing adalah 0, 67; 0,83; 1,0; dan 1,2. Hasil ujikarakteristikterhadapturbinPelton menunjukkannoselberpenampangsegi empatdenganR=1,0memberikanefek palingbaikterhadapefisiensiturbin. Efisiensiturbinmeningkat18persenjika dibandingdenganmenggunakannosel berpenampanglingkaran.Hasiluji karakteristikturbinpeltondengannosel berpenampangsegiempatdanlingkaran dapatdilihatpadaGambar4.Berdasarkan penelitian sebelumnya, penelitian merupakan usahauntukmemperbaikikualitasjetyang dihasilkannoseldenganmemodifikasi jumlah nosel. Berbagaikajianterhadapparameter yang mempengaruhi unjuk kerja turbin harus dilakukansalahsatunyaadalahjumlahnosel yangdigunakanpadaturbinpeltonmikro. Apakahjumlahnoselberpengaruhterhadap unjukkerjaturbindanseberapabesar pengaruhnya,makapenelitianiniperlu dilakukan. Turbin Pelton TurbinPeltonmerupakansalahsatu jenis turbin air yang cocok untuk daerah yang mempunyaihead(tinggijatuh)yangtinggi karenabentukkelengkungansuduyang tajam.Secarateoritispengubahandaya hidrolikkedayamekanisakanmaksimum jikasudutkeluaransuduadalah00,namun dalamprakteknyadianjurkanmemilikisudut keluaran sudu 40 sampai 100 (Dietzel, 1993). Turbininisangatcocokditerapkanuntuk sumberenergihidrokecilkarenacara pembuatandanperawatannyamudah dibandingkan jenis turbin yang lain (Sunarto, 1994).

Gambar 3. (a) Nosel berpenampang lingkaran; (b) Nosel berpenampang segi empat (a) (b) Pengaruh Jumlah Nosel terhadap Unjuk Kerja Turbin Pelton Mikro (Sahid, dkk) 50

Desainsuduturbinmengacupada persamaan Euler sebagai berikut ( )t2 2 1 1u uHq gv vu u = ............(1) Hadalahtinggi-jatuhairdalamm,uadalah kecepatanputarturbindalamm/detikdanv adalahkecepatanaliranjetdarinoseldalam m/detik.Subskrip1dan2menunjukkan bagianmasukdankeluarsudu.Dimensi utamarodajalan,yaitudiameterrata-rata rodajalanmengacupadahargastandaryang tergantungdarikecepatanspesifiknqdan batas Hmaks yang terdapat pada Gambar 5. Harga kecepatan spesifik nq adalah 3/4qHQnn = ..........(2) 01020304050607080901000,0018 0,002 0,0022 0,0024 0,0026 0,0028 0,003Debit, m3/sEfisiensilingkaranR=0,67R=0,83R=1R=1,2Debit, m3/s Gambar 4.Karakteristik turbin pelton dengan nosel berpenampang lingkaran dan segi empat hasil penelitian Sahid dkk. (2005) Gambar 5. Harga standar untuk perencanaan turbin Pelton & Michell (Dietzel, 1993) Eksergi Jurnal Teknik Energi Vol 8 No. 2 Mei 2012; 47 - 55 51 nadalahputaranturbindalamrpm,danQ kapasitas alirandalam m3/detik.Daya pancar air pada nosel, Pk adalah 3n k v A21P =................(3)dimanaadalahmassajenisair(kg/m3). BerdasarkanGambar6,dayahidrolikyang dibangkitkan oleh turbin Pt dapat ditentukan dengan u ) Cos (1 u) - (v A v Ptu + = ......(4) dimana kecepatan keliling u adalah 2gH u | = ....................(5) Diameter rata-rata roda jalan D adalah nu 60Dt= ...............(6) Geometri sudu turbin Pelton (Gambar 7)yangmeliputilebarsuduB,kedalaman mangkokC,lebarbukaanmangkokM, panjang suduL, dan jarak pusat pancaran jet keujungsuduRsecaraempiris(Modi& Seith,1991)dapatditentukandalam persamaan-persamaan berikut ini B = 4,5 dn.............(7) C = 0,92 dn ...........(8) M = 1,75 dn..............(9) L = 2,8 dn..(10) R = 1,55 dn ......(11) Sedangkan jumlah sudu Z adalah, n2dDZt= ..............(12) Efisiensi turbin,ktPP= q ....(13) NoselNoselmerupakankomponenyang pentingpadaturbinPelton,berfungsiuntuk mengubahheadtekananmenjadihead kecepatansehinggaalirankeluarnoselini mempunyaikecepatanyangtinggi.Desain nosel mengacu pada dalil Torricelli (Streeter, 1994)yaitukecepatankeluarnoselsama dengankecepatanjatuhbebaspartikelfluida daripermukaanbebasnyadandalambentuk persamaan, H g 2 v = ......(14) Luaspenampangnoselditentukan berdasarkan rumus kontinuitas,Av Q =atau vQA =(15) Secarateorijumlahnoseltidak mempengaruhidayayangdihasilkanolen turbin.Halinidapatdilihatpadapersamaan 4,dimanadayaturbinhanyadipengaruhi olehsudutlengkungansududanlajualiran massajet.Sepanjanglajualiranmassa konstandanbentuksudusama,makadaya turbinyangdihasilkanakansama.Penelitian iniakanmengkajisecaraeksperimen pengaruhjumlahnoselterhadapperformansi turbinpeltonmikroyangdigunakanpada sistem pembangkit listrik tenaga mikro hidro. Gambar 7. Dimensi sudu Gambar 6. kecepatan aliran pada sudu turbin Pelton u Pengaruh Jumlah Nosel terhadap Unjuk Kerja Turbin Pelton Mikro (Sahid, dkk) 52 METODE PENELITIAN Ujiyangdilakukanmeliputiuji karakteristikturbin,dimanajumlahnosel divariasikanyaitu1,2,dan3buah.Hasiluji berupagrafikkarakteristikturbinuntuk masing-masingjumlahnoseldibandingkan dandikajiunjukkerjanya.Langkah-langkah pengujianmeliputipengambilandata, pengolahandananalisis.Parameteryang diukurdalampengujianadalahbedatekanan padaorificemeter,tekananpadanosel, putaran dan torsi poros turbin, serta tegangan dan arus listrik keluaran generator. Parameter yangditentukandanmerupakanvariabel dalampenelitianiniadalahjumlahnosel. Bebanpadageneratordivariasikanhingga9 kalidansetiapvariasidilakukanpencatatan terhadapparameter-parameterdiatas.Data hasilpengujiandiolahuntukmendapatkan debit aliran air, daya kinetik pancaran air dari nosel,dayaporos,dayahidrolikturbin,dan efisiensiturbin.Hasilpengolahankemudian ditampilkandalambentukgrafik karakteristikturbin.Unjukkerjamasing-masingturbindikajidandibandingkan. Instalasipengujiandapatdilihatpada Gambar 8. HASIL DAN PEMBAHASAN Daya hidrolis yang merupakan daya input turbin yang dihasilkan oleh nosel dapat dilihatpadaGambar9.Kurvapadamasing-masing turbin dengan satu, dua dan tiga nosel memilikitrendkurvayangsamadansaling berimpit,namunpanjangkurvamasing-masingjumlahnoselberbeda.Dayahidrolis ditentukan berdasarkan persamaan 3, dimana kecepatanjetaktualvdiperolehdari pengukuranlangsungpadanosel.Daya hidrolismaksimummasing-masingturbin peltondengansatu,dua,dantiganosel bernilai 187,76 W; 411.32 W dan 331,99 W. perbedaanpanjangkurvainimenunjukkan bahwawalaupunberasaldarisumberyang sama,namunperbedaaninstalasiyang disebabkanolehperbedaanjumlahnosel yangdigunakanpadasistempembangkit listriktenagamikrohidro(PLTMH)akan menghasilkanenergihidrolikpancaranjet yangberbeda.Perbedaanenergipancaranjet yangdihasilkanolehnoseldisebabkanoleh perbedaankerugiantekananpadainstalasi dannoselitusendiri.Halinibisadijelaskan denganteoriDarcy-Weisbach(Streeter, 1994),bahwakerugiantekanantergantung Tampak DepanPompaKatupBy passOrifisManometer UKatup pengatur debitManometer BourdonReservoirRumah turbinTurbinPipa galvanisGambar 8. Instalasi pengujian sistem pembangkit listrik tenaga mikro hidro Eksergi Jurnal Teknik Energi Vol 8 No. 2 Mei 2012; 47 - 55 53 darigeometridanjenispipa.Sedangpada noselkerugiantekanansangattergantung padageometrinya.Geometrisatunosel denganduaatautiganoselberbedasehingga kerugian tekanan juga berbeda. Perbedaanenergiinputpadaturbin menyebabkandayaturbinyangdihasilkan berbedapadamasing-masingjumlahsudu. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 10. Ketiga kurvamenunjukkantrenyangsama,dimana dayaturbincenderungnaikdengan bertambahnyadebit.Namunpadakurva dayaturbindenganjumlahnoselsatu memilikiproporsionalkenaikandayayang lebihbaik.Hinggamencapaidaya maksimumtrenmasihmenunjukkannaik, yangberartimasing-masingkurvabelum mencapaititikoptimum.Halinidpat dikatakanturbinmasihberoperasipada daerahlajualiranrendah.Kurvayang 0501001502002503003504004500.0029 0.0032 0.0035 0.0038 0.0041 0.0044DEBITDAYA HIDROLIS (watt)NOSEL 1NOSEL 2NOSEL 3(m3/dt) Gambar9.Grafik Hubungan Debit dengan Daya Hidrolis 01020304050600.0029 0.0032 0.0035 0.0038 0.0041 0.0044DEBITDAYA TURBIN (watt)NOSEL 1NOSEL 2NOSEL 3(m3/dt) Gambar 10. Grafik Hubungan Debit dengan Daya Turbin Pengaruh Jumlah Nosel terhadap Unjuk Kerja Turbin Pelton Mikro (Sahid, dkk) 54 dihasilkanolehturbindenganjumlahnosel duaadalahpalingpanjangdibandingyang lain.berartikerugiantekanandenganjumlah noselduaadalahyangpalingkecil.Jika dilahatdaritrenkurvanya,makadapat disimpulkanbahwaturbinpeltondengan jumlahnoselsatulebihcocokditerapkan untukuntukpotensialiranmikrohidroyang kecil,sedangkanuntukpotensialiranyang lebihbesarjumlahnoselduaadalahyang palingcocok.Mengacupadapenelitianyang dilakukanolehKvicinskydkk,makajumlah noselduamenghasilkankualitasjetyang palingbaik.Halinidapatdilihatdarioutput jet yang dihasilkan nosel memiliki kecepatan yangpalingtinggisehinggakurvajumlah noselduaberadapalingsebelahkanan. Tetapi jika dilihat tren kurva jumlah nosel 1, karakteristikaliranjet(distribusitekanan) padapermukaanbucketjustruyangpaling baik. Efisiensiturbindenganjumlahnosel satu, dua, dan tiga dapat dilihat pada Gambar 11.efisiensiturbinmerupakanpersenrasio dayaturbindandayainputturbinataudaya pancaranjet.Kurvaturbindenganjumlah noselduadantigamemilikitrenyangsama, sedangpadajumlahnoselsatumemilikitren denganproporsionalkenaikanyanglebih baik.Jikadilihatketigakurvatrenyang palingbaikadalahturbindenganjumlah noselsatu.Dimanadapatdipastikanbahwa efisiensioptimumtertinggidicapaioleh turbin dengan jumlah nosel satu. Namun jika dilihatnilaiabsisnyaturbintersebut beroperasipadadaerahdebitairyangpaling rendah.Dengandemikianturbindengan jumlahnoselsatutidakcocokditerapkan untuk untuk daerah debit air besar. Walaupun demikianefisiensimaksimummasing-masingturbinbelumbisadibandingkan karena titik optimum kurva belum dicapai. KESIMPULAN Berdasarkan uraian sebelumnya dapat disimpulkan bahwa, Jumlahnoselmempengaruhikinerja turbin pelton mikro, Turbindenganjumlahnoseldua menghasilkankualitasjetyangpaling baiksehinggadayayangdihasilkan paling besar, Karakteristikjetaliranyangdihasilkan olehnoselpadapermukaanbacket terbaikpadaturbindenganjumlah nosel satu, danTurbin dengan jumlah nosel satu sangat cocokditerapkanpadadaerahpotensi aliranairrendah,danturbindengan jumlahnoselduasangatcocokuntuk potensi aliran air yang tinggi. 02468101214160.0029 0.0031 0.0033 0.0035 0.0037 0.0039 0.0041 0.0043DEBITEFISIENSI TURBIN (%)NOSEL 1NOSEL 2NOSEL 3(m3/dt) Gambar 11. Grafik Hubungan Debit dengan Efisiensi Turbin Eksergi Jurnal Teknik Energi Vol 8 No. 2 Mei 2012; 47 - 55 55 DAFTAR PUSTAKA Bellis,2002,LesterAllanPelton-Water TurbinesandtheBeginningsof Hydroelectricity,InventorsJournal,http://Inventors.abuot.com/gi/ dynamic/offsite.htm Bono,Sahid,Sunarwo,2003,Rancang BangunTurbinPeltonuntuk PembangkitListrikTenagaMikro HidroKapasitasDaya1kW, ProsedingWorkshopdanSeminar NasionalHasil-hasilPenelitian, BadanPenelitiandanPengembangan Propinsi Jawa Tengah, Semarang Dietzel,F.,1993,TurbinPompadan Kompresor,Erlangga, Jakarta DinasPertambangandanEnergiJateng, 2002,ProyekPengelolaanEnergi ListrikPedesaan,Dinas PertambangandanEnergiJateng, Semarang Kvicinsky,S.,J.L.Kueny,F.Avellan,E. Parkinson,2002,Experimentaland NumericalAnalysisofFreesurface flowsinARotatingBucket ProceedingsofthexxistIAHR SymposiumonHydraulicMachinery and Systems, Lausanne MaherP.,andN.Smith,2001,PicoHydro for Village Power, Practical Manual forSchemesUpTo5kwinHilly Areas, Edition 2 Modi, P.P., & S.M. Seith., 1991,Hydraulics FluidMechanicsandFluid Machines, Dhempat & Sons, Delhi Nonoshita,T.,K.Takahashi,S.Ikeo,Y. Matsumoto,2004,Numerical AnalysisofaPeltonTurbineJet, ProceedingsofASME/JSMEFluids EngineeringDivisionSummer Meeting,California, http://asme.pinetec.com/ fedsm99/data/s-295/7832.html Sahid,Sunarwo,Bono,2005,Pengaruh NoselBerpenampangSegiempat terhadapKinerjaTurbinpelton, ProsedingseminarNasional RekayasaTeknologiIndustridan Informasi(ReTII),STTNasional, Yogyakarta Staubli,T.,andH.P.Hauser,2004,Flow Visualization-AdiagnosisToolfor Peltonturbines,IGHEM2004, Lucerne Streeter,V.L.danWylie,E.B,1994,Fluid Mechanics, McGraw-Hill, New York Sunarto,M.Edy,1994,TurbinPelton Mikro, Andi Offset, Yogyakarta SutisnaN.,2004,DepartemenEnergi KembangkanSistemMikrohidro, TempoNewsRoom, http://www.tempo.co.id/hg/nusa/jawamadura/.. ./brk,20040417-08,id.html. Zulkzrnzin, Soekarno, H., Berlian A., 2002,SistemPikoHidrountukDaerah terpencil,MajalahP3TEK, http://www.p3tek.com/conten/publikasi/2002 /publikasi04.htm