Pengaruh Soliditas dan Penggunaan Sudu Pengarah Aliran Terhadap Unjuk

Kerja Model Turbin Helik

(Skripsi)

Oleh

Milia Rahman

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS LAMPUNG

BANDAR LAMPUNG

2018

ABSTRAK

PENGARUH SOLIDITAS DAN PENGGUNAAN SUDU PENGARAH ALIRAN

TERHADAP UNJUK KERJA MODEL TURBIN HELIK

Oleh

Milia Rahman

Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis unjuk kerja model turbin helik. Analisis

dilakukan untuk mengetahui soliditas terbaik dan pengaruh penggunaan sudu

pengarah pada pengujian model turbin helik untuk mendapatkan hasil unjuk kerja

turbin yang optimal. Turbin helik sendiri merupakan turbin yang memanfaatkan

sumber energi aliran air yang hanya memiliki energi kinetik tanpa adanya energi

potensial. Dengan adanya turbin helik tersebut di daerah pedesaan yang terdapat

aliran sungai yang hanya memiliki energi kinetik dapat dibangun suatu pembangkit

listrik tenaga mikro hidro (PLTMH). Dengan dilakukanya analisis soliditas dan

penggunaan sudu pengarah akan didapatkan model turbin helik dengan unjuk kerja

yang optimal.

Hasil rancangan turbin yang telah dilakukan berdasarkan luas penampang aliran

didapat dimensi turbin dengan diameter turbin 10 cm dan tinggi turbin 20 cm.

Pengujian model turbin helik dilakukan pada tiga debit yang berbeda. Hasil analisis

dengan menggunakan rumus soliditas dan penggunaan java foil didapatkan profil

sudu dengan soliditas 0,35 0,40 dan 0,45. Pada analisis penggunaan sudu pengarah

yang dirancang berdasarkan tabel loss coefficients didapat sudu pengarah dengan

besar sudut kemiringan 30o 40o dan 45o.

Pada pengujian turbin helik dengan menggunakan soliditas 0,35 0,40 dan 0,45

didapatkan effisiensi tertinggi pada soliditas 0,40 dimana efisiensi yang dihasilkan

sebesar 15,56 % pada kondisi turbin terendam keseluruhan sudunya. Dan pada

pengujian turbin helik dengan menggunakan sudu pengarah didapat effisiensi

tertinggi sebesar 17,85 % pada sudu pengarah dengan sudut kemiringan 40o pada

kondisi turbin terendam lebih dari setengah bagian sudu turbin dan tidak merendam

kesuluruhan sudu turbin.

Katakunci :Debit Aliran, Soliditas, Sudu Pengarah, Turbin Helik

ABSTRAK

THE EFFECT OF SOLIDITY AND THE USE NOZZLE TOWARDS THE

PERFORMANCE OF HELICAL TURBINE MODEL

BY

MILIA RAHMAN

This study aims to analyze the performance of the helical turbine model. The analysis

was carried out to determine the best solidity and the effect of using guide blades on

testing the helical turbine model to obtain optimal turbine performance results. The

helical turbine itself is a turbine that utilizes a water source that only has kinetic

energy without any potential energy. With the helical turbine in a rural area where

there is a river that only has kinetic energy, a micro hydro power plant (PLTMH) can

be built. By doing solidity analysis and the use of steering blades, a helical turbine

model will be obtained with optimal performance.

The results of the turbine design that has been carried out based on cross sectional

area are turbine dimensions with a diameter of 10 cm and a height of 20 cm. Testing

of the helical turbine model is carried out at three different debits. The results of the

analysis using the solidity formula and the use of java foil are blade profiles with a

solidity of 0.35 0.40 and 0.45. In the analysis of the use of steering blades designed

based on a table of loss coefficients, the guide blade is obtained with a slope angle of

30o 40o and 45o.

In testing the helical turbines using 0.35 0.40 and 0.45 solidity, the highest efficiency

was obtained at 0.40 solidity where the efficiency produced was 15.56% in the

conditions of the entire turbine blades submerged. And from the helical turbine test

using the steering blade, obtained the highest efficiency of 17.85% on the steering

blade with a slope angle of 40o in the conditions of more than half the turbine blades

submerged and not immersing the whole turbine blade.

Keywords: Flow Discharge, Helical Turbine, Solidity, Steering Blade.

HALAMAN JUDUL

PENGARUH SOLIDITAS DAN PENGGUNAAN SUDU PENGARAH

ALIRAN TERHADAP UNJUK KERJA MODEL TURBIN HELIK

Oleh :

MILIA RAHMAN

Skripsi

Sebagai salah satu syarat untuk mencapai gelar

SARJANA TEKNIK

Pada

Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Lampung

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS LAMPUNG

BANDAR LAMPUNG

2018

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Padang Ratu kabupaten Lampung tengah,

Lampung pada tanggal 09 November 1994, sebagai anak

pertama dari empat bersaudara dari pasangan Samsudin dan

Syairah. Penulis mengawali jenjang akademis di sekolah dasar

yaitu di SD Negeri 1 Bangunrejo, Kecamatan Bangunrejo,

Lampung Tengah pada tahun 2001. Lalu pada tahun 2007 penulis menyelesaikan

pendidikan sekolah dasar. Selanjutnya penulis melanjutkan pendidikan Sekolah

Menengah Pertama di SMP Negeri 1 Bangunrejo, Kecamatan Bangunrejo,

Lampung Tengah dan pada tahun 2010 penulis menyelesaikan pendidikan SMP.

Pada tahun 2013 penulis berhasil menyelesaikan pendidikan Sekolah Menengah

Atas di SMA Negeri Negeri 1 Bangunrejo, Kecamatan Bangunrejo, Lampung

Tengah.

Pada tahun 2013 penulis terdaftar sebagai mahasiswa Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Lampung melalui jalur Seleksi Nasional Masuk

Perguruan Tinggi Negeri (SNMPTN).

Selama menjadi mahasiswa, penulis aktif di organisasi internal seperti di

Himpunan Mahasiswa Teknik Mesin (2015 – 2016) menjabat sebagai anggota

divisi advokasi. Penulis juga aktif sebagai anggota dari Badan Eksekutif

Mahasiswa (BEM) pada tahun 2014-2015. Pada Skripsi ini penulis melaksanakan

penelitian dalam bidang konsentrasi konversi energi yang berjudul “ Pengaruh

Soliditas dan Penggunaan Sudu Pengarah Aliran Terhadap Unjuk Kerja Model

Turbin Helik” di bawah bimbingan Bapak Jorfri Boike Sinaga, S.T., M.T. dan

Bapak Ahmad Su’udi, S.T., M.T.

Bismillahirrahmanirrahim

Dengan Segala Kerendahan Hati

Dan Harapan Meraih Ridho Allah SWT.

Kupersembahkan Hasil Karya Yang Sederhana Ini Untuk Orang-Orang Yang Berjasa Besar

Dalam Hidupku :

“Kedua Orang Tuaku”

“Ayah dan Ibu”

Yang Selalu Memberikan Kasih Sayang dan Cinta Sejak Buaian, Serta Jerih Payah dan Kerja

Keras Yang Dilakukan Untuk Menjadikanku Hingga Bisa Seperti Sekarang Ini.

“Adik dan Kaka ku”

“Dinah Wiradin, Fitri Yani, Rosidah”

Terima Kasih Atas Doa dan Semangat Yang Telah Diberikan

“Keluarga Besar Teknik Mesin Universitas

Lampung”

Keluarga Besarku Dan Sahabat Terbaik Yang Selalu Memberi Semangat Dan Dukungan

Kepada Saya.

“Almamater Tercinta Teknik Mesin

Universitas Lampung”

MOTTO

“Tempat Terbaik untuk Menuliskan Cita-cita

adalah kertas yang beralaskan Kerja keras

yang Tergores Tinta Tawakal dan Tersimpan

Dalam Doa”

“Orang Sukses Tidak Diukur Berdasarkan

Berapa Besar Harta dan Tahta yang Telah

Didapatkan, Melainkan Sebarapa Besar

Perjuangannya Untuk Menggapai Kesuksesan

Itu Sendiri”

“Boleh jadi kamu membenci sesuatu, padahal ia

amat baik bagi kamu. Dan boleh jadi kamu

mencintai sesuatu, padahal ia amat buruk bagi

kamu. Allah Maha mengetahui sedangkan kamu

tidak mengetahui”

(Al-Baqarah: 216)

SANWANCANA

Segala puji dan syukur hanya milik Allah SWT tuhan semesta alam atas rahmat

dan pertolongan-Nya, skripsi ini dapat diselesaikan. Sholawat serta salam selalu

tercurah kepada Nabi Muhammad SAW yang menunjukkan kepada umat manusia

jalan yang lurus, dan kepada para sahabatnya, keluarganya, serta para pengikutnya

yang selalu istiqamah diatas kebenaran agama Islam hingga hari ajal menjemput.

Dalam penyusunan skripsi ini penulis banyak memperoleh bantuan baik itu moral

maupun material dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini, penulis ingin

menyampaikan ucapan terima kasih kepada :

1. Bapak Prof. Dr. Ir. Hasriadi Mat Akin, M.P., selaku Rektor Universitas

Lampung.

2. Prof. Drs. Suharno, M.Sc., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas

Lampung.

3. Bapak Ahmad Su’udi, S.T., M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin

Universitas Lampung.

4. Bapak Jorfri Boike Sinaga, S.T., M.T., selaku pembimbing utama tugas akhir,

atas banyak waktu, ide, dan perhatian yang telah diberikan untuk membina

penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

5. Bapak Ahmad Su’udi, S.T., M.T., selaku pembimbing kedua tugas akhir ini,

yang telah banyak mencurahkan waktu dan pikirannya bagi penulis.

6. Bapak Agus Sugiri, S.T., M.Eng, selaku pembahas tugas akhir ini, yang telah

banyak memberi kritik dan saran yang sangat bermanfaat bagi penulis.

7. Seluruh Dosen dan Karyawan (Mas Marta, Mas Dadang, Mas Nanang, Mas

Giman) Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung.

8. Kedua Orang Tuaku, Bapak, Mamak, serta Adik ku yang selalu memberikan

semangat dan doa yang terbaik bagi penulis.

9. Kepada Alm. Dinah Wiradin adik tercinta yang selalu memberikan doa

terbaik dan pelajaran tentang arti sebuah kehidupan bagi penulis.

10. Kepada mbak Fitriyani dan Rosidah yang selalu memberikan dukungan

berupa semangat dan materil bagi penulis.

11. Sahabat-sahabatku seperjuangan Aang, Ucok, Nuril, Yuda, Arizon, Cahya,

Kusuma, Wahyudi, Adin, Isma, Bastian, Novan, Ihsan, Suci, Aldy serta

seluruh saudara seperjuangan Teknik Mesin 2013 yang selalu memberikan

semangat bagi penulis.

Semoga dengan kebaikan, bantuan, dan dukungan yang telah diberikan pada

penulis mendapat balasan pahala dari Allah SWT dan semoga skripsi ini dapat

bermanfaat. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih.

Bandar Lampung, Desember 2018

Penulis

MILIA RAHMAN

ii

i

DAFTAR ISI

halaman

DAFTAR ISI.............................................................................................. i

DAFTAR GAMBAR ................................................................................. iii

DAFTAR TABEL ..................................................................................... vi

DAFTAR NOTASI ................................................................................... vii

I. PENDAHULUAN

A. Latar Belakang ............................................................................ 1

B. Tujuan Penelitian ........................................................................ 3

C. Batasan Masalah.......................................................................... 3

D. Sitematika Penulisan ................................................................... 4

II. TINJAUAN PUSTAKA

A. Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH)................... 5

B. Teknologi Turbin Air .................................................................. 9

C. Turbin Helik .............................................................................. 16

D. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Daya Turbin Helik ............ 21

E. Hydrofoil .................................................................................. 23

F. Pengaruh Soliditas Terhadap Unjuk Kerja Turbin Helik .......... 25

G. Pengaruh Nosel Terhadap Kecepatan Aliran ............................ 27

ii

III. METODELOGI PENELITIAN

A. Tempat Pelaksanaan .................................................................. 29

B.

Alat dan Bahan ..........................................................................

29

C.

Tahap Perancangan dan Pembuatan ..........................................

35

D.

Pengujian Nosel dan Sudu Turbin Helik...................................

39

E.

Analisa Data ..............................................................................

40

F.

Diagram Alur Pelaksanaan Tugas Akhir...................................

42

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Sistem Instalasi Pengujian Turbin Helik................................... 43

B. Hasil Penelitian ......................................................................... 44

C. Pembahasan ............................................................................... 52

V. SIMPULAN DAN SARAN

A. Simpulan..................................................................................... 66

B. Saran ........................................................................................... 67

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

iii

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 1. Skema PLTMH........................................................................... 8

Gambar 2. Turbin Impuls (Pelton) .............................................................. 11

Gambar 3. Turbin cross-flow ...................................................................... 12

Gambar 4. Turbin turgo............................................................................... 13

Gambar 5. Turbin reaksi (Francis) .............................................................. 14

Gambar 6. Turbin Kaplan .......................................................................... 15

Gambar 7. Bentuk sudu turbin Darrieus dan turbin helik ........................... 16

Gambar 8. Beban resultan hydrofoil ........................................................... 19

Gambar 9. Parameter pada turbin Gorlov ................................................... 22

Gambar 10. Bagian-bagian dari hydrofoil................................................... 24

Gambar 11. Aliran gaya turbin helik dengan 3 blade ................................. 25

Gambar 12. Tabel loss coefficients ............................................................. 28

Gambar 13. Pelat ......................................................................................... 30

Gambar 14. Besi siku .................................................................................. 30

Gambar 15. Besi behel ................................................................................ 31

Gambar 16. Mal sudu turbin helik .............................................................. 31

Gambar 17. Mesin las listrik dan elektroda ................................................ 32

iv

Gambar 18. Meteran.................................................................................... 32

Gambar 19. Gerinda .................................................................................... 33

Gambar 20. Mistar siku, busur dan jangka ................................................. 33

Gambar 21. Tachometer.............................................................................. 34

Gambar 22. Torsimeter ............................................................................... 34

Gambar 23. Current meter........................................................................... 35

Gambar 24. Skema model alat uji menggunakan turbin helik .................... 35

Gambar 25. Reservoir ................................................................................. 37

Gambar 26. Dimensi Penampang Alir ........................................................ 37

Gambar 27. Pengarah aliran turbin helik .................................................... 38

Gambar 28. Design rancangan turbin helik dengan menggunakan

3 buah sudu............................................................................... 38

Gambar 29. Design sudu pengarah aliran ................................................... 39

Gambar 30. Diagram alir penelitian tugas akhir ......................................... 42

Gambar 31. Sistem instalasi pengujian turbin helik.................................... 43

Gambar 32. Grafik pengaruh TSR terhadap torsi ....................................... 53

Gambar 33. Grafik pengaruh TSR terhadap daya poros ............................. 53

Gambar 34. Grafik pengaruh TSR terhadap efisiensi ................................. 53

Gambar 35. Grafik pengaruh TSR terhadap torsi ....................................... 55

Gambar 36. Grafik pengaruh TSR terhadap daya poros ............................. 56

Gambar 37. Grafik pengaruh TSR terhadap efisiensi ................................. 56

Gambar 38. Grafik pengaruh TSR terhadap torsi ....................................... 58

Gambar 39. Grafik pengaruh TSR terhadap daya poros ............................. 58

Gambar 40. Grafik pengaruh TSR terhadap efisiensi ................................. 59

v

Gambar 41. Grafik pengaruh TSR terhadap torsi ....................................... 61

Gambar 42. Grafik pengaruh TSR terhadap daya poros ............................. 61

Gambar 43. Grafik pengaruh TSR terhadap efisiensi ................................. 62

Gambar 44. Grafik pengaruh TSR terhadap tors ......................................... 62

Gambar 45. Grafik pengaruh TSR terhadap daya poros ............................. 63

Gambar 46. Grafik pengaruh TSR terhadap efisiensi ................................. 63

Gambar 47. Grafik pengaruh TSR terhadap torsi ....................................... 64

Gambar 48. Grafik pengaruh TSR terhadap daya poros ............................. 64

Gambar 49. Grafik pengaruh TSR terhadap efisiensi ................................. 64

vi

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 1. Contoh tabel pengambilan data alat uji pembangkit listrik tenaga air

menggunakan turbin helik.................................................................. 41

Tabel 2. Parameter pengujian turbin helik ....................................................... 42

Tabel 3. Parameter pengujian sudu pengarah .................................................. 44

Tabel 4. Data hasil pengujian NACA 0030 soliditas 0,35 0,4 dan 0,35 .......... 45

Tabel 5. Data hasil perhitungan NACA 0030 soliditas 0,35 0,4 dan 0,35 ........ 46

Tabel 6. Data hasil pengujian NACA 0030 soliditas 0,4 dengan menggunakan

nosel ..................................................................................................... 48

Tabel 7. Data hasil perhitungan NACA 0030 soliditas 0,4 dengan menggunakan

nosel .................................................................................................... 50

vii

DAFTAR NOTASI

λ = Tip speed ratio (TSR)

W = Kecepatan resultan (m/s)

U = Kecepatan air (m/s)

R = Jari-jari turbin (m)

ω = Kecepatan sudut (rad/s)

nt = Putaran turbin (rpm)

D = Gaya Drag (N)

L = Gaya Lift (N)

Cd = Koefisien drag

Cl = Koefisien lift

A = Luas frontal sudu turbin (m2)

W = Kecepatan air relatif (m/s)

F = Gaya air pada turbin (N)

T = Torsi (Nm)

F = Gaya tegak lurus terhadap lengan (N)

R = Jari-jari turbin (m)

Ph = Daya masukan/hidro (Watt)

ρ = Massa jenis fluida (kg/m3)

At = Luas penampang turbin (m2)

U = Kecepatan air (m/s)

PL = Daya listrik (Watt)

viii

I = Arus listrik (Ampere)

V = Tegangan listrik (Volt)

η = Efisiensi

ψ = Twist angel

δ = Pitch angel

c = Panjang chord (m)

n = Jumlah sudu

1

I. PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Indonesia merupakan negara dengan sumber daya energi yang cukup banyak.

Dengan kekayaan energi yang ada, Indonesia sangat berpotensi untuk

dibangunya pembangkit listrik dengan energi yang tersedia. Salah satu energi

yang dimiliki Indonesia yaitu aliran air sungai dan laut yang sangat berlimpah.

Dengan adanya aliran sungai dan laut kita dapat mengembangkan potensi

untuk mengolahnya menjadi sumber pembangkit energi salah satunya yaitu

energi listrik. Meskipun di Indonesia saat ini sumber energi kelistrikan masih

didominasi oleh batu bara, gas, dan minyak bumi, salah satu potensi yang

sangat signifikan tetapi masih belum banyak di kembangkan yaitu hydropower

dengan head rendah kurang dari 2 meter. Pembangkit listrik hydropower

dikenal keunggulannya karena sumber energi yang digunakan berasal dari alam

(Eka, 2016).

Pembangkit listrik hydropower sudah mulai dikembangkan di Indonesia dan

mulai dikembangkan juga pembangkit listrik hydropower dalam skala kecil

atau yang biasa dikenal dengan energi mikro hidro. Energi mikro hidro dengan

menggunakan head yang sangat rendah perlu dikembangkan karena

2

melihatadanya potensi aliran sungai dan laut yang ada di Indonesia sangatlah

banyak. Aliran sungai dan irigasi sangat sering kita jumpai didekat pemukiman

warga.

Misalnya di daerah Trimurjo, dimana didaerah tersebut terdapat aliran irigasi

dengan kapasitas besar yang mempunyai energi kinetik air yang berpotensi

untuk dibuatnya pembangkit listrik tenaga mikro hidro. Dengan adanya

pembangkit listrik tenaga mikro hidro diharapkan dapat membantu warga yang

bermukim di pedalaman yang masih belum teraliri energi listrik. Pembangkit

listrik tenaga mikro hidro sendiri salah satunya menggunakan turbin sebagai

komponen utama untuk membangkitkan energi listrik. Terdapat beberapa jenis

turbin yang biasanya digunakan seperti, turbin impuls, turbin cross flow, turbin

helik, turbin pelton, turbin Darrieus dan turbin Francis. Salah satu turbin yang

menggunakan head rendah yaitu turbin helik dan turbin Darrieus. Kedua turbin

tersebut sangat di rekomendasikan pada aliran sungai yang tidak memiliki head

atau head sangat rendah.

Salah satu parameter-parameter yang mempengaruhi unjuk kerja turbin helik

yaitu soliditas dari sudu turbin tersebut. Dimana soliditas akan mempengaruhi

panjang cord dan tebal dari sudu turbin helik yang. Dalam penelitian ini

penulis melakukan analisis soliditas untuk mendapatkan soliditas terbaik.

Dengan melakukan kajian eksperimental soliditas tersebut diharapkan

mendapatkan unjuk kerja turbin terbaik. Faktor lain yang mempengaruhi

kinerja turbin helik yaitu laju aliran fluida. Semakin cepat laju aliran fluida

3

maka torsi dan daya yang dihasilkan turbin helik akan semakin besar. Oleh

karenanya dalam penelitian ini digunakan sudu pengarah aliran untuk

mempercepat laju aliran yang akan menumbuk turbin tersebut. Dengan

beberapa faktor yang telah dibahas diatas, besar harapan penulis agar nantinya

pada saat pengujian model turbin helik akan mendapatkan unjuk kerja turbin

helik yang terbaik.

B. Tujuan

Adapun tujuan dari penelitian yang dilakukan sebagai berikut:

1. Menganalisis pengaruh soliditas terhadap effisiensi turbin helik

2. Menganalisis pengaruh penggunaan sudu pengarah terhadap unjuk kerja

turbin helik

C. Batasan Masalah

Adapun batasan masalah yang terdapat pada penelitian ini sebagai berikut :

1. Profil sudu yang digunakan yaitu NACA 0030 dengan dimensi turbin yang

digunakan tinggi turbin 20 cm dan diameter 10 cm.

2. Jumlah sudu yang digunakan 3 buah.

3. Besar sudut sudu pengarah aliran yang digunakan yaitu 30o 40o 45o.

4

D. Sistematika Penulisan

Adapun sistematika penulisan penelitian ini adalah sebagai berikut :

I. Pendahuluan

Berisikan latar belakang, tujuan penelitian, batasan masalah dan

sistematika penulisan.

II. Tinjauan Pustaka

Berisikan tentang teori dan konsep dasar PLTMH mulai dari definisi

turbin, jenis-jenis turbin, konsep kerja turbin helik dan faktor-faktor yang

mempengaruhi unjuk kerja turbin helik.

III. Metodologi Penelitian

Berisikan tentang langkah-langkah yang dilakukan untuk melakukan

analisis soliditas dan pengaruh dari penggunaan sudu pengarah,

pengambilan data untuk analisis soliditas dan bentuk sudu pengarah yang

akan digunakan.

IV. Hasil dan Pembahasan

Berisikan tentang hasil analisis, hasil pengujian dan pembahasan dari

data-data yang diperoleh.

V. Simpulan dan Saran

Berisikan simpulan yang diperoleh dari hasil pengujian dan saran –saran

yang diberikan oleh peneliti.

Daftar Pustaka

LAMPIRAN

II. TINJAUAN PUSTAKA

A. Potensi Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH)

Indonesia merupakan negara dengan sumber kekayaan alam yang cukup

melimpah. Dengan banyaknya sumber energi alam yang dimiliki, banyak

pembangkit energi yang telah didirikan di Indonesia. Indonesia sendiri hingga saat

ini sumber energi di bidang kelistrikan masih didominasi dengan batubara, minyak

bumi dan gas alam. Peranan dari energi terbarukan sangat berpotensi dengan

sumber daya alam yang berasal dari panas bumi dan tenaga air. Sedangkan

pemakaian energi lainnya seperti energi surya, angin dan biomasa masih sangat

kecil. Secara keseluruhan sumbangan energi yang berasal dari sumber energi

terbarukan yang dimanfaatkan untuk sektor kelistrikan sebesar 13% pada tahun

2013.

Sementara itu berdasarkan hasil kajian yang dilakukan BPPT, kebutuhan listrik di

Indonesia pada tahun 2035 diperkirakan antara 903 TWh – 1.229 TWh.

Berdasarkan kebutuhan listrik tersebut pada tahun 2035 kemampuan untuk

menyediakan energi listrik hanya sebesar 215 GWh – 270 GWh, dimana sumber

6

energinya masih didominasi oleh penggunaan batubara. Sedangkan sumber energi

yang menggunakan tenaga air akan mencapai 17,8 GW. Salah satu potensi yang

sangat signifikan tetapi belum banyak dikembangkan adalah hidropower dengan

head yang sangat rendah, yaitu kisaran kurang dari 2 meter. Pembangkit listrik

tenaga hidropower dalam sekala kecil dengan daya anatara 100 W – 100 kW dan

head sangat rendah yaitu dari 0.8 – 2 meter masih menjadi permasalahan yang

belum terselesaikan (Eka, 2016).

Pembangkit listrik hidropower dikenal memiliki keunggulan secara ekonomi yang

sangat tinggi. Tetapi juga diketahui dapat menimbulkan kerusakan lingkungan

untuk konstruksi pembangkit yang harus dibendung. Untuk menghindari hal

tersebut maka dikembangkanlah pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH).

Pembangkit listrik tenaga mikro hidro mulai dikembangkan di Indonesia,

khususnya di daerah - daerah yang memiliki aliran sungai yang berpotensi untuk

didirikan pembangkit listrik dan dapat membantu daerah – daerah yang belum

dialiri listrik. Keuntungan dari penggunaan pembangkit listrik tenaga mikro hidro

(PLTMH) sebagai berikut (Mafruddin, 2016):

1. Biaya pembuatan relatif murah dan sumber energi yang dibutuhkan tersedia di

alam karena berasal dari energi terbarukan.

2. Turbin–turbin pada PLTMH dapat dioperasikan atau dihentikan sesuai dengan

sumber energi yang tersedia.

3. Dengan perawatan yang baik, turbin dapat beroperasi dalam waktu yang

cukup lama

7

4. Sumber energi yang digunakan adalah energi air sehingga tidak

mengakibatkan pencemaran udara dan air.

Adapun kekurangan dari penggunaan pembangkit listrik tenaga mikro hidro

sebagai berikut :

1. Masih kurangnya sosialisasi PLTMH sebagai pembangkit listrik dan

potensinya di daerah pedalaman atau daerah yang berpotensi untuk di

bangunya sebuah PLTMH.

2. Sumber energi yang digunakan (air) sangat dipengaruhi oleh iklim atau curah

Hujan dan perilaku masyarakat sekitar.

Pada umumnya dalam sebuah PLTMH terdapat beberapa komponen-komponen

besar di antaranya yaitu:

1. Dam/bendungan pengalihan dan intake

Dam pengalih berfungsi untuk mengalihkan air melalui sebuah pembuka di

bagian sisi sungai ke dalam sebuah bak pengendap.

2. Bak pengendapan

Bak pengendap digunakan untuk memindahkan partikel-partikel pasir dari air.

Fungsi dari bak pengendap adalah sangat penting untuk melindungi

komponenkomponen berikutnya dari dampak pasir.

3. Saluran pembawa

Saluran pembawa mengikuti kontur dari sisi bukit untuk menjaga elevasi dari

air yang disalurkan.

8

4. Pipa pesat (penstock)

Penstock dihubungkan pada sebuah elevasi yang lebih rendah ke sebuah roda

air, dikenal sebagai sebuah turbin.

5. Turbin

Turbin berfungsi mengkonversi energi potensial dan energi kinetik dari air

menjadi energi mekanik.

6. Generator

Generator berfungsi mengkonversi energi mekanik menjadi energi lisrtik.

Dimana pemilihan generator disesuaikan dengan daya yang dihasilkan turbin

atau sumber daya air yang digunakan.

Berikut ini sekema PLTMH secara umum yang biasanya digunakan : \

Gambar 1. Sekema PLTMH (ezkhelenergy.blogspot.co.id)

9

B. Teknologi Turbin Air

Turbin air merupakan salah satu mesin-mesin fluida yang tergolong dalam mesin

tenaga yaitu mesin yang berfungsi mengubah energi fluida menjadi energi mekanis

pada poros. Turbin air dikembangkan mulai abad ke-19 dan telah dikembangkan

secara luas sebagai pembangkit energi listrik. Dengan menggunakan turbin air kita

dapat mengubah atau mengkonversikan energi potensial (air yang jatuh) maupun

energi kinetik (aliran air) menjadi energi mekanis dengan menggunakan air

sebagai fluida kerja (Sihombing, 2009).

Teknologi aurs air dibagi menjadi dua kategori yaitu Axial Flow Turbine yaitu arah

aliran air tegak lurus dengan poros turbin dan Cross Flow Turbine yaitu arah aliran

air tegak lurus dengan poros turbin. Untuk Cross Flow posisi poros turbin dibagi

menjadi dua yaitu Horizontal Axis Water Turbine (HAWT) dimana posisi sumbu

putar turbin secara horizontal dan Vertical Axis Water Turbine (VAWT) dimana

posisi sumbu putar turbin yaitu secara vertical (Iwan, 2014).

Turbin air dapat diklasifikasikan dalam dua jenis tipe dasar yaitu turbin reaksi dan

turbin impuls. Dimana secara umum turbin reaksi yaitu turbin yang memiliki head

rendah dan laju aliran yang tinggi, sedangkan turbin impuls adalah turbin yang

memiliki head besar dan laju aliran yang rendah (Munson, 2005). Turbin air

memiliki jenis yang beragam dan sesuai dengan kondisi aliran yang ada. Dilihat

10

dari segi pengubahan momentum fluida kerjanya turbin air dibedakan menjadi dua

yaitu (Dwi, 2016):

1. Turbin impuls

Turbin Impuls merupakan turbin air yang memiliki tekanan sama pada setiap

sudu geraknya (runner). Energi potensial air diubah menjadi energy kinetik

pada nosel. 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.

Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari

nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua

energi, tinggi tempat dan tekanan ketika masuk aliran air yang keluar dari

nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua

energi, tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin akan

berubah menjadi energi kinetic. Berikut di bawah ini jenis – jenis turbin impuls

(Mafruddin, 2016):

a. Turbin Pelton

Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh semburan air

yang disemprotkan dari satu atau beberapa nosel. Turbin Pelton adalah

salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien dibandingkan dengan

turbin implus lainnya. Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang

simetris. Sudu dibentuk sedemikian sehingga semburan air akan mengenai

titik tengah sudu dan pancaran air tersebut akan berbelok ke kedua arah

11

sehinga bisa membalikkan semburan air dengan baik dan membebaskan

sudu dari gaya-gaya samping.

Untuk turbin dengan daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi

melalui beberapa nosel. Dengan demikian diameter semburan air bisa

diperkecil dan sudu lebih kecil. Turbin Pelton untuk pembangkit skala

besar membutuhkan head lebih kurang 150 meter tetapi untuk skala mikro

head 20 meter sudah mencukupi.

Gambar 2. Turbin Impuls (Pelton) (http://anasmesin.blogspot.co.id)

b. Turbin cross-flow

Turbin cross-flow mempunyai alat pengarah air sehingga dengan demikian

celah bebas dengan sudu-sudu di sekeliling roda hanya sedikit. Turbin jenis

12

ini baik sekali digunakan untuk pembangkit listrik tenaga air yang kecil

dengan daya kurang lebih 750 kW. Head yang dapat digunakan ialah di

atas 1 m sampai dengan 200 m dan kapasitasnya antara 0,02 m3/s sampai

dengan 7 m3/s. dimana kecepatan putarannya antara 60 rpm sampai dengan

200 rpm tergantung pada diameter roda atau puli yang digunakan.

Gambar 3. Turbin cross-flow dan bagian-bagiannya

(aseppadang.wordpress.com)

Prinsip kerja dari turbin cross-flow adalah air yang keluar dari nosel masuk

ke runner atau turbin dan menumbuk sudu-sudu tahap pertama dan

kemudian air tersebut keluar dari celah sudu-sudu tahap pertama lalu

melewati ruang kosong dalam runner yang selanjutnya menumbuk sudu-

sudu tahap kedua dan akhirnya air itu keluar dari celah sudu-sudu tingkat

kedua menuju kolam bawah.

13

c. Turbin Turgo

Seperti halnya dengan turbin Pelton, turbin Turgo juga termasuk jenis

turbin impuls, tetapi sudunya berbeda. Turbin Turgo dapat beroperasi pada

head 3 s/d 150 m. Pancaran air dari nosel membentur sudu pada sudut

20o.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.

Gambar 4. Turbin Turgo (http://sistem-tenaga-listrik.blogspot.co.id)

2. Turbin reaksi

Turbin reaksi merupakan tubin yang mempunyai profil khusus sehingga

meyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melewati sudu.

Perbedaan dari tekanan tersebut memberikan gaya pada sudu sehingga runner

14

(bagian turbin yang berputar) dapat berputar dengan perbedaan tekanan

tersebut. Runner trubin reaksi sepenuhnya tenggelam dalam air dan berada

dalam rumah turbin. Turbin rekasi bekerja dengan cara pengerak turbin air

secara langsung megubah energi kinetik dan energi tekanan secara bersamaan

menjadi energi mekanik. Berikut dibawah ini beberapa contoh turbin reaksi :

a. Turbin Francis

Turbin Francis merupakan salah satu jenis turbin reaksi. Turbin Francis

menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah berfungsi untuk mengarahkan

air masuk secara tangensial. Sudu pengarah pada turbin Francis dapat

merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang

dapat diatur sudut atau kemiringannya. Turbin Francis diaplikasikan

diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan

rendah di bagian keluar. Untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran

air penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang

tepat.

Gambar 5. Turbin reaksi (Francis) (http://www.satuenergi.com)

15

b. Turbin Kaplan

Turbin Kaplan prinsip kerjanya menggunakan prinsip reaksi. Turbin

Kaplan dapat beroperasi pada kecepatan tinggi sehingga ukuran roda turbin

lebih kecil dan dapat dihubungkan langsung dengan generator. Dalam

kondisi pada beban tidak penuh turbin kaplan mempunyai efisiensi paling

tinggi, hal ini dikarenakan sudu-sudu turbin Kaplan dapat diatur

menyesuaikan dengan beban yang ada. Turbin Kaplan banyak dipakai pada

instalasi pembangkit listrik tenaga air sungai, karena turbin ini mempunyai

kelebihan dapat menyesuaikan head yang berubah-ubah sepanjang tahun.

Gambar 6. Turbin Kaplan (http://hydropowerplantsttpln.blogspot.co.id)

Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan baling-baling pesawat

terbang. Bila baling-baling pesawat terbang berfungsi untuk menghasilkan

gaya dorong, roda jalan pada turbin Kaplan berfungsi untuk mendapatkan

16

gaya yaitu gaya putar yang dapat menghasilkan torsi pada poros turbin.

Berbeda dengan roda jalan pada Francis, sudu-sudu pada roda jalan turbin

Kaplan dapat diputar posisinya untuk menyesuaikan kondisi beban turbin.

C. Turbin Helik

Salah satu turbin yang menggunakan head yang sangat rendah yaitu turbin helik.

Sebelum dikembangkanya turbin helik pada awalnya ditemukan terlebih dahulu

yaitu turbin Darrieus. Turbin Darrieus merupakan turbin yang menggunakan aliran

dengan head yang sangat rendah dengan bentuk sudu yang berbentuk straight.

Turbine Darrieus sangat baik dalam menghasilkan daya tetapi menimbulkan

vibrasi pada tip speed ratio yang tinggi. Untuk mengurangi vibrasi yang tinggi

maka mulai dikembangkanlah turbine helik oleh Gorlov pada tahun 1990. Turbin

helik merupakan penyempurnaan dari turbin Darrieus dimana turbin helik lebih

baik dimana getaran turbin lebih kecil di bandingkan turbin Darrieus (Shiono,

2002).

Gambar 7. Bentuk sudu turbin Darrieus dan turbin helik (Shiono, 2002).

17

Beberapa keunggulan dari turbin helik yaitu (Gorlov, 1998) :

1. Dapat beroprasi pada gelombang samudera, air pasang surut dan arus sungai.

2. Dapat berputar pada kecepatan air 0.6 m/s.

3. Berputar tanpa terjadi fluktuasi.

4. Berputar hanya pada satu arah, meskipun arus yang dating berubah-ubah

arahnya. Maka sangat ideal untuk arus pasang surut.

Turbin Gorlov dapat diposisikan sebagai turbin vertical dan horizontal. Untuk

posisi horizontal dapat digunakan pada air dangkal (sungai), dengan kedalaman air

1 meter.

Dalam merancang turbin helik, diperlukan profil sudu dan dimensi turbin yang

dapat menghasilkan gaya lift yang besar dan gaya drag yang rendah sehingga akan

menghasilkan torsi besar. Dimensi turbin yang perlu diperhatikan yaitu jari-jari

turbin, panjang sudu turbin dan panjang chord pada sudu dengan memperhatikan

soliditas. Menurut Gorlov, untuk menentukan panjang sudu perlu memperhatikan

pitch angle terhadap rasio tinggi turbin terhadap jari-jari turbin (L/R) sehingga

didapat nilai torsi (Gorlov,1998).

Turbin gorlov memiliki torsi yang besar dan kerja awal yang baik. Untuk dapat

menghitung torsi, kita perlu mengetahui berapa sudut serang pada turbin helik.

Sudut serang merupakan sudut yang terbentuk dari kecepatan resultan (W) dan

kecepatan keliling sudu (U) dimana kecepatan resultan didapatkan dengan

18

persamaan trigonometri. Dengan mempertimbangkan bentuk geometris, vektor

kecepatan resultan (W) dan sudut serang (α) dapat dihitung dengan cara :

√ .........................(1)

...................................................(2)

...........................................................(3)

.........................................................(4)

Dimana :

λ = tip speed ratio (TSR)

W = Kecepatan resultan (m/s)

U = Kecepatan air (m/s)

R = Jari-jari turbin (m)

ω = Kecepatan sudut (rad/s)

nt = Putaran turbin (rpm)

kemudian setelah menemukan besar nilai kecepatan resultan, dilanjutkan dengan

menghitung besar gaya drag, dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :

................................................(5)

Setelah itu menghitung gaya lift, dengan persamaan sebagai berikut :

19

...................................................(6)

Dimana :

D = Gaya Drag (N)

L = Gaya Lift (N)

Cd = koefisien drag

Cl = koefisien lift

ρ = Massa jenis fluida (kg/m3)

A = Luas frontal sudu turbin (m2)

W = Kecepatan air relatif (m/s)

F = Gaya air pada turbin (N)

Gambar 8. Beban resultan hydrofoil (Abdullah, 2015).

Dalam bentuk pendekatan, sudu memiliki bentuk suatu persegi panjang yang

tipis dengan panjang sama dengan b dan lebarnya merupakan chord sehingga

didapatkan luas frotal atau bagian depan hydrofoil. Lalu perhitungan torsi yang

dihasilkan adalah sebagai berikut :

(Nm)...........................(7)

20

Dimana :

T = Torsi (Nm)

F = Gaya tegak lurus terhadap lengan (N)

R = Jari-jari turbin (m)

Untuk mencari besarnya nilai daya yang dihasilkan turbin helik kita dapat

menggunakan sebagai berikut :

................................................(8)

Dimana :

Ph = Daya masukan/hidro (Watt)

ρ = Massa jenis fluida (kg/m3)

At = Luas penampang turbin (m2)

U = Kecepatan air (m/s)

Untuk mengetahui daya keluaran (output) yang dihasilkan turbin helik dapat

diperoleh dengan persamaan sebagai berikut :

........................................................(9)

Dimana :

ω = Kecepatan sudut turbin (rad/s)

T = Torsi (Nm)

21

Lalu dengan mensubtitusikan putaran turbin n (rpm) kedalam persamaan 12,

maka didapatkan persamaan :

............................................(10)

Kemudian untuk menghitung daya listrik dapat dihitung dengan menggunakan

persamaan sebagai berikut :

..........................................................(11)

Dimana :

PL = daya listrik (Watt)

I = Arus listrik (Ampere)

V = Tegangan listrik (Volt)

Sehingga efisiensi turbin dapat diperoleh dengan menggunaan persamaan sebagai

berikut :

...............................................(12)

D. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Daya Turbin Helik

Tubin helik mempunyai dua faktor yang mempengaruhi daya yang dihasilkan oleh

turbin, diantaranya yaitu (Iwan, 2014):

1. Faktor eksternal antara lain massa jenis fluida (ρ) kg/m3, kecepatan fluida (V)

m/s.

2. Faktor internal yang merupakan geometeri turbin yang berbentuk helik yaitu

22

radius turbin (R) m, tinggi turbin (H) m, kecepatan sudut yang dihasilkan

turbine (ω) rad/s, twist angel (ψ), pitch angel (δ), panjang chord (c) m, jumlah

blade (n).

Kedua faktor diatas yang memiliki faktor lebih dominan yang dapat memperbaiki

karakteristik turbin helik yaitu salah satunya tip speed ratio terhadap koefisien

daya. Pada umumnya turbin helik Gorlov mempunyai dua jenis twist angel yaitu

twist angle 60o dan twist angel 120

o. Berdasarkan hasil penelitian yang telah

dilakukan twist angel 60o memiliki koefisien performa sedikit lebih besar

dibandingkan twist angel 120o (Iwan, 2014).

Gambar 9. Parameter pada turbin Gorlov (Iwan, 2014)

23

E. Hydrofoil

Salah satu hal yang perlu diketahui dalam merancang sebuah turbin helik yaitu

hydrofoil. Hydrofoil merupakan struktur dengan bentuk hidrodinamik yang

digunakan untuk menghasilkan gaya mekanis (gaya angkat) akibat dari gerakan

relative dari hydrofoil dan juga fluida yang ada disekitarnya . Dengan

menggunakan prinsip hydrofoil maka turbin helik yang dibuat akan berputar

karena adanya bentuk hydrofoil pada sudu turbin tersebut.

Pada dasarnya hydrofoil mempunyai permukan bagian atas dan bagian bawah.

Pada sebagian besar hydrofoil, bentuk kelengkungan permukaan atas lebih tinggi

dibandingkan dengan bagian bawahnya. Titik persimpangan kedua permukaan

pada daerah depan dan belakang masing-masing dikenal sebagai tepi leading dan

trailing. Garis datar yang menghubungkan ujung tombak dan ujungnya dinamakan

garis chord, yang dilambangkan dengan c. Garis yang merupakan titik tengah

antara permukaan atas dan bawah hidrofoil disebut garis chamber.

Chamber dari hidrofoil didefinisikan sebagai jarak vertikal antara garis chord dan

garis chamber, nilai terbesar dari jarak itu disebut chamber maksimum. Jarak

antara permukaan atas dan bawah yang diukur tegak lurus terhadap garis chord

adalah ketebalan hidrofoil. Sudut serangan, yang ditunjukkan oleh α adalah sudut

geometris antara vektor kecepatan relatif, Urel dan garis chord. Berikut di bawah

ini gambar dan nama dari bagian-bagian hydrofoil.

24

Gambar 10. Bagian-bagian dari hydrofoil

Hydrofoil memiliki bentuk yang beragam dan memiliki standar data yang telah

dikembangkan oleh beberapa lembaga penelitian, salah satunya yaitu National

Advisory Committee for Aeronautics (NACA) dan RISØ National Laboratory

(Denmark). Profil hydrofoil dinyatakan oleh NACA dengan angka yang

menyatakan beberapa parameter seperti ketebalan maksimal, chamber maksimum,

posisi ketebalan maksimal, posisi chamber maksimum dan radius hidung dimana

setiap angka memiliki makna.

Pada angka pertama menyatakan nilai maksimum chamber dalam persen terhadap

chord, angka kedua menunjukkan letak maksimum chamber berada dalam

persepuluh chord, dan dua angka terakhir menunjukkan ketebalan maksimum

dalam persen terhadap chord. Dengan beberapa jenis angka kode profil NACA,

karakteristik dari turbin yang dibuat akan berbeda pula meskipun pada jenis profil

dan soliditas yang sama. Profil hydrofoil NACA lebih banyak digunakan karena

memiliki gaya lift dan torsi yang lebih besar dibandingkan dengan profil lain

seperti RISO.

25

Gambar 11. Aliran gaya turbin helik dengan 3 blade (Wikimedia 2008).

Keterangan :

D = gaya drag (N)

L = gaya lift (N)

W = Resultan Kecepatan (m/s)

V = Kecepatan tangensial (m/s)

U = Kecepatan Aliran (m/s)

α = attack of angle (Sudut Serang)

F. Pengaruh Soliditas Terhadap Unjuk Kerja Turbin Helik

Soliditas merupakan karakteristrik geometrik (struktur) turbin yang akan

digunakan dalam menghitung gaya drag pada bagian frontal sudu turbin helik

dimana semakin besar nilai soliditas maka akan berpengaruh terhadap unjuk kerja

26

turbin helik. Hal tersebut dapat terjadi karena jika pada soliditas yang besar, area

kontak sudu menjadi besar yang mengakibatkan gaya-gaya yang ditimbulkan pada

sudu turbin semakin besar dan dalam hal ini juga mengakibatkan meningkatnya

efek turbulen pada arus air, dimana pada daerah datangnya arus air (bagian frontal

turbin) terjadi penurunan kecepatan air . Dimana persamaan soliditas adalah

sebagai berikut :

.............................................................(13)

Untuk turbin helik dengan jumlah dua sudu dapat dihitung besar nilai soliditasnya

dengan persamaan sebagai berikut :

.......................................................(14)

Untuk turbin dengan jumlah tiga sudu dapat dihitung besar nilai soliditasnya

dengan persamaan sebagai berikut (Shiono, 2002) :

........................................................(15)

Dimana :

σ = Soliditas relatif turbin

n = Jumlah sudu turbin

d = Setengah dari sudu chord dalam radian teerhadap sumbu rotasi (rad)

C = Panjang chord

Dimana dalam menentukan nilai d dapat menggunakan persamaan sebagai berikut

:

..............................................................(16)

27

Dimana :

C = panjang chord (m)

r = jari-jari turbin (m)

Dalam thesis yang dilakukan oleh Niblick, yang memiliki soliditas tinggi (σ > 0,3)

mudah beroperasi pada putaran awal namun memiliki TSR yang rendah,

sedangkan untuk soliditas rendah (σ < 0,3) akan kesulitan beroperasi pada putaran

awal namun memiliki TSR yang tinggi (Niblick, 2012). Dan menurut shiono

soliditas yang digunakan untuk mendapatkan efisiensi optimum adalah sebesar 0.4

(Shiono, 2002).

G. Pengaruh Nosel Terhadap Kecepatan Aliran

Nosel sering juga disebut sebagai distributor yang berfungsi untuk mengarahkan

aliran air sehingga secara efektif meneruskan energinya ke sudu atau roda jalan

(runner). Dengan demikian energi kinetik yang ada pada pancaran air akan

menggerakkan turbin dan menghasilkan energi mekanik (Mafruddin, 2016).

Terdapat beberapa nilai koefisien gesakan pada nosel pada aliran internal sesuai

perbandingan luas masuk dan keluar aliran dari nosel.

Dimana dari perbandingan luas masuk dan keluar aliran akan didapatkan besar

koefisien gesekan berdasarkan sudut yang digunakan. Besarnya nilai koefisien

gesekan (k) berdasarkan luas masuk dan keluar aliran berdasarkan sudut yang

digunakan dapat dilihat pada gambar 12 :

28

Gambar 12. Tabel loss coefficients (k) (Fox dkk, 2002).

Dengan menggunakan tabel diatas kita dapat mengetahui perbandingan antara luas

bidang masuk aliran dan keluar, sudut nosel dan besarnya koefisien gesekan yang

terjadi pada aliran.

29

III. METODOLOGI PENELITIAN

A. Tempat Pelaksanaan

Penelitian analisis soliditas dan pegaruh penggunan sudu pengarah aliran

terhadap unjuk kerja turbin helik dilakukan di Laboratorium Mekanika

Fluida Fakultas Teknik Universitas Lampung (UNILA).

B. Alat dan Bahan

Adapun alat dan bahan-bahan yang digunakan pada proses pembuatan

pengarah aliran dan sudu turbin helik adalah sebagai berikut :

1. Bahan

Adapun bahan yang digunakan dalam proses pembuatan sudu pengarah

dan analisis pengaruh soliditas terhadap profil sudu turbin helik adalah

sebagai berikut :

a. Pelat

Pelat digunakan sebagai bahan pembuatan pengarah aliran turbin

helik dengan tebal plat 0.5 mm.

30

Gambar 13. Pelat

b. Besi siku

Besi siku digunakan untuk membuat penahan atau dudukan pengarah

aliran. Ukuran besi siku yang digunakan yaitu 3x3 cm dengan tebal

siku 1 mm.

Gambar14. Besi siku

c. Besi behel

Besi behel digunakan untuk memperkuat rangka pengarah aliran.

Besi behel yang digunakan ukuran 8 mm.

31

Gambar 15. Besi behel

2. Alat Pembuatan

Adapun alat yang digunakan dalam pembuatan adalah sebagai berikut :

a. Mal sudu turbin helik

Mal sudu yang terbuat dari bahan akrilik ini digunakan sebagai mal

untuk pembuatan sudu turbin helik. Akrilik ini nanti akan dipotong

sesuai dengan pola sudu turbin yang akan dibuat. Tebal akrilik yang

digunakan yaitu 10 mm.

Gambar 16. Mal sudu turbin helik

32

b. Mesin las listrik dan elektroda

Mesin las dan elektroda ini digunakan sebagai alat pelekat antara

pelat besi dan besi siku untuk membuat pengarah aliran, dudukan

pengarah aliran dan rangka pengarah aliran.

Gambar 17. Mesin las listrik dan elektroda

c. Meteran

Meteran digunakan sebagai alat ukur panjang, lebar dan tinggi

saluran air dan jarak antara pengarah aliran dengan reservoir.

Gambar 18. Meteran

d. Gerinda

Gerinda digunakan sebagai alat pemotong pelat dan besi siku

dalam proses pembuatan pengarah aliran.

33

Gambar 19. Gerinda

e. Penggaris, busur, pensil, dan jangka

Penggaris, jangka dan pensil dingunakan untuk membuat pola

dari pengarah aliran yang akan dibuat.

Gambar 20. Mistar siku, busur dan jangka

3. Alat Pengujian

Adapun alat yang digunakan untuk menguji nosel dan putaran turbin air

dengan menggunakan turbin helik adalah sebagai berikut :

34

a. Tachometer

Tachometer digunakan sebagai alat ukur kecepatan putaran dari

turbin dan generator. Pada penggunaan tachometer satuan yang

digunakan yaitu rpm.

Gambar 21. Tachometer

b. Torsimeter

Torsimeter digunakan sebagai alat ukur torsi yang dihasilkan oleh

turbin helik. Torsimeter yang digunakan dalam penelitian ini

memiliki kapasitas maksimal sebesar 1,4 Nm.

Gambar 22. Torsimeter

35

c. Current meter

Current meter digunakan sebagai alat ukur kecepatan aliran pada

saluran air turbin helik. Current meter yang digunakan memiliki

sensitivitas minimum sebesar 0,83 m/s - 1m/s dengan eror sebesar

+/-3% dan pada temperatur operasi -50 oC - 100 oC.

Gambar 23. Current meter

C. Tahap Perancangan dan Pembuatan

Dalam melakukan perancangan dan pembuatan nosel turbin helik ini

dilakukan dengan beberapa tahap yang diantaranya adalah sebagai berikut :

1. Tahap Persiapan

Pada tahap ini dilakukan studi literatur dan melengkapi bahan-bahan

perlengkapan yang dibutuhkan dalam tahap perancangan dan pembuatan

nosel dan sudu turbin helik.

36

2. Tahap Perancangan

Pada tahap ini dilakukan pembuatan skema alat uji seperti pada Gambar

24.

Gambar 24. Skema model alat uji menggunakan turbin helik

Gambar diatas merupakan skema rancangan alat uji turbin helik yang akan

dibuat. Dimensi dan ukuran alat disesuaikan dengan kondisi laboratorium

dimana luas ruangan laboratorium yang terbatas. Berikut penjelasan dari

gambar diatas :

1. Reservoir 3. Pipa 5. Bak penampungan 7. Fly wheel

2. Pompa alkon 4. Saluran 6. Turbin helik

1

2

3

4

5

7

37

Kemudian membuat volume reservoir seperti pada Gambar 25.

Gambar 25. Reservoir

Lalu dilanjutkan dengan dimensi penampang air seperti pada Gambar 26.

Gambar 26. Dimensi Penampang Alir

38

Kemudian merancang dimensi pengarah aliran turbin helik.

Gambar 27. Pengarah aliran turbin helik

3. Tahap Pembuatan

Setelah melakukan perancangan, pada tahap ini dilakukan pembuatan

nosel dan sudu turbin helik berdasarkan analisis soliditas yang

dilaksanakan di Laboratorium Mekanika Fluida Teknik Mesin

Universitas Lampung, dibawah ini design turbin helik dengan

menggunakan tiga buah sudu dan bentuk sudu pengarah aliran yang

ditunjukan pada gamabar 28 dan 29.

Gambar 28. Design rancangan turbin helik dengan menggunakan 3 buah sudu.

1

2

3

39

Gambar 29. Design sudu pengarah aliran.

Keterangan gambar :

1. Sudu turbin helik

2. Poros turbin helik

3. Piringan turbin helik

4. Sudu pengarah turbin helik

D. Pengujian Nosel dan Sudu Turbin Helik

Pengujian sudu pengarah aliran dan sudu turbin helik ini dilakukan untuk

mendapatkan data pengujian sebagai parameter-parameter untuk

mengetahui unjuk kerja turbin dan pengaruh data pengujian terhadap unjuk

kerja turbin. Beberapa data yang bisa didapatkan dalam pengujian yaitu torsi

turbin menggunakan alat uji torsimeter, kecepatan putaran turbin dan

generator menggunakan alat uji tachometer. Dalam pengujian ini adapun

prosedur untuk mendapatkan data yang dibutuhan adalah sebagai berikut :

1. Mengisi air kedalam reservoir sampai penuh

4

40

2. Memasang nosel pada saluran air sesuai dengan tempatnya

3. Membuka katup pipa distribusi air dari reservoir menuju penampang

alir turbin

4. Menghidupkan pompa untuk mengalirkan kembali air dari bak

penampung menuju reservoir

5. Mengukur torsi turbin dengan menggunakan torsimeter

6. Mengukur kecepatan putar generator dengan tachometer

E. Analisis Data

Data-data pengujian yang telah didapatkan, kemudian diolah untuk

mendapatkan daya hidro (Ph), daya turbin (Pt), daya listrik (Pl), dan efisiensi

(η). Untuk menghitung daya hidro digunakan data berupa kecepatan air dari

debit air dengan menggunakan persamaan (8). Untuk menghitung daya

turbin digunakan data torsi dan kecepatan sudut dengan menggunakan

persamaan (9) dan persamaan (10).

Untuk menghitung efisiensi turbin digunakan daya turbin dan daya hidro

dengan menggunakan persamaan (12).Kemudian hasil perhitungan dianalisis

dengan membuat grafik. Grafik tersebut dibuat dengan membandingkan

antara kecepatan putar poros terhadap torsi, daya dan efisiensi. Sehingga

berdasarkan hasil yang telah dibuat dapat diketahui pengaruh kecepatan

putar poros terhadap torsi, daya dan efisiensi. Setelah mendapatkan data dari

hasil pengujian, data tersebut dicatat pada Tabel 1.

41

Tabel 1. Contoh tabel pengambilan data alat uji pembangkit listrik tenaga air

menggunakan turbin helik

solditas dan

penggunaan sudu

pengarah aliran

Debit aliran (m3/s)

Torsi (Nm)

Putaran poros

(rpm)

42

F. Diagram Alur Pelaksanaan Tugas Akhir

Alur pelaksanan yang dilakukan dalam tugas akhir ini, digamabarkan pada

diagaram berikut ini:

Gambar 30. Diagram alir penelitian tugas akhir

simpulan

Pengujian sudu pengarah

aliran dan sudu turbin helik

Pengambilan data

analisis data

Perancangan sudu

pengarah aliran

Pembuatan sudu

pengarah aliran

Mulai

Studi literatur

Ya

Analisis sudu

turbin helik

Pembuatan sudu

turbin helik

Ya = putaran

turbin stabil /

Tidak = tunggu

hingga putaran

stabil

selesai

67

V. SIMPULAN DAN SARAN

A. Simpulan

Adapun simpulan yang didapatkan penulis setalah melakukan pengujian turbin helik

NACA 0030 sebagai berikut :

1. Besarnya nilai soliditas turbin helik tidak berbanding lurus dengan unjuk kerja

turbin helik tersebut, dimana didapat unjuk kerja optimum pada turbin helik

dengan soliditas 0,4 diatas soliditas 0,4 terjadi penurunan unjuk kerja turbin

helik. Pada Soliditas 0,4 didapat efisiensi tertinggi sebesar 15.56 %.

2. Pada pengujian penggunaan nosel didapatkan optimasi dimana pada nosel 40o

dengan debit 0,058 m3/s (ketinggian air 27 cm) didapat efisiensi sebesar

17,85%. Tetapi semakain tinggi ketinggian air penggunaan nosel tidak

disarankan karena efisiensi semakin turun. Penurunan efisiensi disebabkan

karena penurunan kecepatan aliran air yang berpengaruh terhadap TSR dan

terjadinya golakan aliran di sekitar turbin pada saat turbin berputar.

67

B. Saran

Adapun saran yang diberikan penulis setelah melakukan pengujian turbin helik

NACA 0030 sebagai berikut :

1. Sudu turbin helik perlu divariasikan dengan posisi ketebalan sudu terhadap

leading edge untuk mengetahui pengaruh posisi ketebalan sudu terhadap unjuk

kerja turbin helik.

2. Pembuatan sudu turbin akan lebih baik lagi jika pembuatan sudu turbin

dilakukan dengan menggunakan mesin, seperti printer 3D.

3. Sudu turbin helik sebaiknya perlu divariasikan kekasaran permukaannya agar

dapat mengetahui pengaruh kekasaran permukaan sudu turbin terhadap unjuk

kerja turbin helik.

DAFTAR PUSTAKA

Abdullah, M, dan M.I. Yuce, 2015. Performance Analysis of Hydrokinetic

Turbine Blade Sections : Journal ISSN . Vol. 2. Batman University.

Turkey.

Fox, W, Robet, McDonald, T, Alan, dan Pritchard, J, Philip, 2004. Introduction to

Fluid Mechanics. Edisi Keenam. K-t-dra. Amerika.

Gorlov A.M, 1998. Turbine With a Twist : Journal Macro-Engineering and The

Earth World Project for Year 2000 and Beyond. Northeastern

University. Boston, MA.

J. Anderson, 2011. Design and Manufacture of a Cross-Flow Helical Tidal

Turbine : Capstone Project Report. University of Washington.

Amerika Serikat.

Kurniawan, Iwan, 2014. Kajian Eksperimental dan Numerikal Turbin Helikal

Gorlov untuk Twist Angel 60o dan 120

o : Journal ISSN. Universitas

Riau. Riau.

Mafruddin, 2016. Setudi Eksperimental Sudut Nosel dan Sudut Sudu Terhadap

Kinerja Turbin Cross-Flow Sebagai PLTMH di Desa Bumi Nabung

Timur, Tesis. Universitas Lampung. Lampung.

Munson, 2005. Mekanika Fluida. Edisi Keempat Jilid 2. Jakarta : Erlangga.

Shiono, Mitsuhiro, Suzuki, Katsuyuki, dan Kiho, Seiji, 2002. Output

Characteristic of Darrieus Water Turbine with Helical Blades for

Tidal Current Generations : journal ISSN. Nihon University. Japan.

Sihombing Edis, 2009. Pengujian Sudu Lengkung Prototipe Turbin Air Terapung

pada Aliran Sungai : Jurnal Teknik Mesin. Universitas Sumatera

Utara. Sumatera Utara.

Supratmanto, Dwi, 2016. Kajian Eksperimental Pengaruh Jumlah Sudu Terhadap

Unjuk Kerja Turbin Helik Untuk Model Sistem Pembangkit Listrik

Tenaga Mikro Hidro (PLTMH). Universitas Lampung. Lampung.

Wikimedia, 2008. Vertical Axis Wind Turbine. Dapat diakses di

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/4d/Force

s_and_velocities.png/440px-Forces_and_velocities.png. diunduh

pada tanggal 07 Juli 2017.

Yawara, Eka, Jayatun, Agus, Y, dan Sugati, Daru, 2016. Pengaruh Profil Sudu

Terhadap Koefisien Daya Turbin Gorlov : Journal ISSN. Sekolah

Tinggi Nasional Yogyakarta. Yogyakarta.