AME(Aplikasi Volume Mekanika dan Energ.
Jurnal Ilmiah Teknik Mesin 8 .
, pp 66-77 8 Nomor September 2022 Muryanto dan Zariatin, 2022 pp 66-77 Website: http://ejournal.
uika-bogor.
id/index.
php/ame/index Analisis Water Turbine Vortex Terhadap Daya dan Putaran Optimum yang Dihasilkan pada Pembangkit Listrik Tenaga Piko Hidro Muhammad Muryanto1*.
Dede Lia Zariatin1 Program Studi Magister Teknik Mesin.
Universitas Pancasila.
Jakarta
ABSTRAK
Turbin pusaran air .
adalah salah satu jenis turbin yang memanfaatkan pusaran air di sekeliling sumbu vertikal sebagai media perantara energi sehingga terjadi perbedaan tekanan yang menyebabkan turbin berputar.
Turbin vortex ini dapat dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik tenaga piko hidro.
Tujuan penelitian yaitu untuk mengetahui putaran dan daya yang paling optimum yang dihasilkan dari water turbin vortex.
Variasi dilakukan pada ketinggian sudu 20 cm kemiringan 25A, ketinggian sudu 40cm kemiringan 25A dan bentuk kurvatur.
Hasil analisis penelitian perubahan water turbine vortex dengan ketinggian sudu 20cm kemiringan 25A pada bukaan katup 900 debit 3,2 l/det menghasilkan kecepatan putar sudu 114,4 rpm dan daya sebesar 3,72 Watt.
Untuk variasi ketinggian sudu 40cm kemiringan 25A pada bukaan katup 900 debit 3,2 l/det menghasilkan kecepatan putar sudu 112 rpm dan daya sebesar 3,248 Watt, untuk bentuk kurvatur pada bukaan katup 900 debit 3,2 l/det menghasilkan kecepatan putar sudu 117,7 rpm dan daya yang dihasilkan sebesar 4,34 Watt.
Hasil yang diperoleh dari bentuk sudu water turbin vortex yang menghasilkan putaran dan daya listrik paling optimal terdapat pada bentuk kurvatur dengan bukaan katup 900 debit 3,2 l/det dengan kecepatan putar turbin mencapai 117,7 rpm dan daya yang dihasilkan sebesar 4,34 Watt.
Kata kunci: daya listrik.
putaran turbin.
water turbin vortex.
ABSTRACT
A vortex turbine is a type of turbine that utilizes a whirlpool around a vertical axis as an energy intermediary so that there is a pressure difference that causes the turbine to rotate.
This vortex turbine can be used as a pico hydro power plant.
The purpose of the study was to determine the optimum rotation and power generated from the water turbine vortex.
Variations were made at a blade height of 20 cm, a slope of 25 A, a blade height of 40 cm, a slope of 25 A and the shape of the curvature.
The results of the research analysis of changes in the water turbine vortex with a blade height of 20cm with a slope of 25A at a valve opening of 900 discharge 3.
2 l/s produce a blade rotation speed of 114.
4 rpm and a power of 3.
72 Watt.
For variations in the height of the blade 40cm with a slope of 25A at the valve opening 900 discharge 3,2 l/s produces a blade rotation speed of 112 rpm and a power of 3,248 Watt, for the shape of the curvature at the valve opening 900 discharge 3,2 l/s produces a blade rotation speed of 117 ,7 rpm and the power generated is 4.
34 Watt.
The results obtained from the shape of the water turbine vortex blade which produces the most optimal rotation and electrical power are in the form of a curvature with a valve opening of 900 discharge 3.
2 l/s with a turbine rotational speed of 7 rpm and a power generated of 4.
34 Watt.
Keywords: electric power.
turbine rotation.
water turbin vortex.
*Penulis korespondensi Email: muhammad.
muryantosttw24@gmail.
Diterima 28 November 2021.
Disetujui 25 Mei 2022 AME (Aplikasi Mekanika dan Energ.
: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin 2022 AME(Aplikasi Mekanika dan Energ.
: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin 8 .
, pp 66-77
Muryanto dan Zariatin, 2022
PENDAHULUAN
Semakin berkurangnya cadangan minyak bumi, sumber daya energi terbaik menjadi salah satu alternatif solusi untuk menjadi energi listrik.
Berdasarkan data yang diproleh, sebagian besar kebutuhan tenaga listrik di Indonesia masih dipasok oleh pembangkit listrik berbahan bakar Urutan kebutuhan energi di Indonesia yaitu minyak bumi pada peringkat tertinggi sebesar 51,66%, gas alam peringkat kedua sebesar 28,57%, sisanya dipasok oleh energi minyak sebesar 15,34%, dan energi terbarukan 4,43%, salah satunya adalah energi air (Malau.
Budiarto, & Hadi, 2.
Potensi energi tenaga air di Indonesia terdiri dari beberapa kategori, diantaranya adalah potensi energi air yang jatuh .
yang berasal dari arus laut dan arus sungai.
Salah satu simulasi atau pemanfaatan energi aliran sungai adalah dengan turbin vortex.
Penelitian sebelumnya sudah dilakukan untuk mengetahui pengaruh tipe sudu terhadap kinerja turbin vortex (Wibawanto & Adiwibowo.
Penelitian telah dilakukan untuk mengetahui pengaruh kemiringan sudut sudu terhadap daya dan efisiensi yang dihasilkan turbin vortex berpenampang plat datar dengan variasi kemiringan sudut sudu yakni 0A.
7,5A.
15A dan 22,5A (Baskoro & Adiwibowo, 2.
Hasil dari penelitian ini kemiringan sudut sudu turbin yang optimal adalah kemiringan sudut sudu 22,5A dengan kapasitas 13,4434 L/s dengan daya yang didapatkan 51,03 Watt pada pembebanan 50000 Hasil analisis pengomptimalan yang dilakukan pada penelitian sebelumnya, dengan uji eksperimental pembangkit listrik mikro hidro menggunakan turbin vortex.
Dapat kesimpulan bahwa tingkat efisiensi maksimum terdapat pada jarak antara sudu dan saluran keluar ketinggian 6 cm, efisiensi maximum = 53,48061%, daya turbin = 5,07267 watt, putaran Turbin =3,75753333 rad/s (Sihombing & Gultom, 2.
Pengujian selanjutnya dilakukan secara berurutan untuk tiga bentuk sudu yang berbeda bentuk siripnya yaitu dengan bentuk sudu lengkung, sudu lurus dan lengkung, sirip menggunakan 6 buah.
Hasil penelitian menunjukan sudu berbentuk lengkung sirip memiliki torsi terbesar 2,00 Nm pada putaran 70 rpm dengan buka katup pompa air 100% atau debit 7,71 l/s pada turbin lurus, daya potensi 30,27 Watt (Prasetyo, 2.
Pada penelitian lainnya, dibuat tiga macam basin yaitu basin cone dengan sudut 65o, basin cone dengan sudut 67o, basin cone dengan sudut 90o.
Hasil penelitian ini adalah variasi sudut basin cone dapat mempengaruhi daya dan efisiensi yang dihasilkan oleh turbin vortex.
Daya dan efisiensi tertinggi diperoleh basin cone sudut 67o menghasilkan turbin yaitu 35,07 Watt, dan efisiensi turbin 55,79% dengan pembebanan 000 gram (Musa & Masjuri, 2.
Dari tinjauan pustaka tersebut dapat diidentifikasi berdasarkan pemetaan masalah seperti pada Gambar 1.
Gambar 1.
Pemetaan masalah Optimasi Daya dan Torsi pada turbin water vortex Berdasarkan gambar pemetaan masalah di atas, maka pada penelitian akan dilakukan optimasi PLTMH berdasarkan analisis pengaruh sudut sudu water turbine vortex terhadap daya yang dihasilkan pada pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH).
Gambar 2.
Cara kerja Turbin Vortex (Gultom.
Lubis, & Sembiring, 2.
AME(Aplikasi Mekanika dan Energ.
: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin 8 .
, pp 66-77
Muryanto dan Zariatin, 2022
METODE PENELITIAN
Penelitian menggunakan metode analisis simulasi dan eksperimen dengan menekankan pada subyek sudu turbin water turbine vortex.
Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui unjuk kerja water turbine vortex.
Gambar 3 adalah diagram alur Gambar 4.
Instalasi pengujian turbin water vortex Keterangan gambar:
Stop kontak Digital tachometer Puli primare dari water turbin vortex Rumah sudu bansine cone Pompa air Bak penampung Stop valve Stop valve dengan busur drajat Turbin water vortex LCD indikataor tegangan (V) LCD indicator kuat arus (A) Box panel klistrikan Analisis Menggunakan CFD Gambar 3.
Disain Alur Penelitian Proses Pengujian Proses pengujian water turbine vortex dengan mengatur sudut kemiringan, ketinggian sudu dan bentuk kurvatur dengan bahan yang sama yaitu stainless sebagai turbin pembangkit listrik micro hidro dapat dilihat pada Gambar 4.
Langkah pertama sebelum memasukan gambar ke CFD yaitu mendesain gambar sudu water vortex turbine pada ketinggian 20 cm kemiringan 250, ketinggian 40 cm kemiringan 250, dan bentuk kurvatur.
Untuk mengetahui fenomena pada turbin water vortex turbine pada ketinggian 20 cm kemiringan 250, ketinggian 40 cm kemiringan 250, dan bentuk kurvatur maka dilakukan AME(Aplikasi Mekanika dan Energ.
: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin 8 .
, pp 66-77 Muryanto dan Zariatin, 2022 analisa menggunakan metode CFD.
Berikut model 3 dimensi yang digunakan pengaturan boundary condition pengaturan terhadap elemen Berdasarkan latar belakang yang telah dikemukakan, untuk mendapatkan kinerja turbin secara optimal maka terdapat beberapa faktor yang perlu diperhatikan yaitu sebagai Sudut kemiringan Debit dan aliran air Volume air yang di gunakan Desain Water Turbine Vortex Desain bentuk sudu water turbine vortex dengan tinggi 20 cm dan kemiringan 250 dapat di lihat pada Gambar 5.
Gambar 7.
Desain gambar turbin vortex dengan bentuk kurvatur
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Analisis CFD Sudu Water Turbine Vortex Water turbine vortex dengan ketinggian sudu 40 cm kemiringan 250 Analisis menggunakan metode CFD dilakukan pada turbin water turbin vortex dengan ketinggian sudu 40 cm dan kemiringan 250 maka.
Gambar 8 merupakan model 3 dimensi yang digunakan.
Gambar 5.
Desain gambar water turbine vortex dengan tinggi 20 cm dan kemiringan Desain bentuk sudu water turbine vortex dengan tinggi 40 cm dan kemiringan 250dapat di lihat pagda Gambar 6.
Gambar 8 Model 3 dimensi Sebelum dilakukan analisa CFD maka dilakukan pengaturan boundary condition dari turbine vortex.
Boundary condition yang digunakan menyesesuaikan kaidah dari aturan CFD.
Berikut bentuk Boundary condition dapat dilihat pada Gambar 9.
Gambar 6.
Desain gambar water turbine vortex tinggi 40 cm dan kemiringan 250 Desain bentuk sudu water turbine vortex dengan bentuk kipas dapat di lihat pada Gambar 7.
Gambar 9.
Boundary Condition AME(Aplikasi Mekanika dan Energ.
: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin 8 .
, pp 66-77 Muryanto dan Zariatin, 2022 terjadi reversal yang menyebabkan putaran Hal tersebut terlihat dari nilai thrust yang bernilai negatif.
Sehinga didapatkan grafik Gambar 11 sebagai berikut.
Thrust (N) Dilakukan pengaturan terhadap elemen yang nantinya akan mempengaruhi bentuk aliran yang terjadi disekitar benda.
Jenis mesh yang digunakan pada simulasi kali ini yaitu unstruktur mesh.
Sedangkan jenis elemen yang digunakan ada tetrahedron sehingga dapat terlihat pada Gambar 10.
Elemen yang mendominasi yaitu berbentuk segitiga.
Series1
BUKAAN KATUP
Gambar 11.
Grafik Thrust Gambar 10.
Meshing Element Selanjutnya menggunakan software CFD.
Didapatkan hasil sebagai berikut :
TURBIN VORTEX DENGAN tinggi sudu 40 dan Putaran .
Kecepatan (V) 0,1884 0,613085 0,81169 0,83995 0,85005 Series1 Table 1.
Hasil Analisis Bukaan Katup Torsi (N.
Thrust
(N)
Torsi (N .
BUKAAN KATUP Dari hasil di atas untuk turbin votex denga ketinggi 40 cm memiliki hasil yang berbeda Ae beda dari tiap variasi bukaan Dimana untuk bukaan 600 mendapatkan daya dorong yang paling besar dan torsi putaran yang tinggi.
Sedangkan nilai paling kecil terdapat pada sudut 300 dimana Gambar 12.
Diagram Torsi Dari hasil diatas disimpulkan bahwa hasil paling baik berada pada variasi 600 sedangkan paling buruk pada 300.
Sehingga dilakukan perbandingan simulasi antara Hasilnya dapat diliat pada Gambar AME(Aplikasi Mekanika dan Energ.
: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin 8 .
, pp 66-77 Muryanto dan Zariatin, 2022 .
600 Gambar 13.
Perbandingan Kecepatan Aliran Terlihat dari Gambar 13 diatas, aliran 300 terlihat banyak aliran yang terbuang sehingga menyebabkan thrust yang dihasilkan lebih Sedangkan aliran pada 600 lebih terpusat dan tidak terlalu banyak aliran yang terbuang sehingga menghasilkan thrust yang besar.
Gambar 14.
Perbandingan tekanan disekitar turbin Dari perbandingan tekanan pun dapat terlihat, tekanan pada 300 memiliki nilai yang lebih kecil dibandingkan 600.
Hal ini diakibatkan sedikitnya aliran yang terputar pada daerah turbin sehingga menyebabkan banyak bagian yang tidak dilalui aliran sehingga tekanan mengalami penurunan.
AME(Aplikasi Mekanika dan Energ.
: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin 8 .
, pp 66-77 Muryanto dan Zariatin, 2022 .
300 Gambar 16.
Model 3 Dimensi Sebelum dilakukan analisa CFD maka dilakukan pengaturan boundary condition dari turbine vortex.
Boundary condition yang digunakan menyesesuaikan kaidah dari aturan CFD.
Berikut bentuk boundary condition dapat dilihat pada Gambar 17.
600 Gambar 15.
Tekanan pada turbin Sedangkan dari tekanan pada geometri turbin tidak jauh berbeda.
Namun dapat dilihat dimana dominasi warna biru tua pada geometri 300 lebih banyak dibandingkan 600.
Hal ini berhubungan dengan jumlah aliran yang melalui geometri turbin.
Semakin banyak daerah geometri yang tidak terlalui aliran maka akan menyebabkan turunnya tekanan pada daerah tersebut.
Water turbine vortex dengan ketinggian sudu 20 cm kemiringan 250.
Pada water turbin vortex dengan ketinggian sudu 20 cm kemiringan 250 dilakukan analisa menggunakan metode CFD.
Model 3 dimensi yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 16.
Gambar 17.
Boundary Condition Dilakukan pengaturan terhadap elemen yang nantinya akan mempengaruhi bentuk aliran yang terjadi disekitar benda.
Jenis mesh yang digunakan pada simulasi kali ini yaitu unstruktur mesh.
Sedangkan jenis elemen yang digunakan ada tetrahedron sehingga dapat terlihat pada Gambar 18.
Elemen yang mendominasi yaitu berbentuk segitiga.
AME(Aplikasi Mekanika dan Energ.
: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin 8 .
, pp 66-77 Muryanto dan Zariatin, 2022 Thrust (N) Series1 bukaan katup Gambar 18.
Meshing Element Gambar 19.
Grafik Thrust Selanjutnya menggunakan software CFD.
Didapatkan hasil seperti pada Tabel 5 Table 2.
Hasil Analisis Bukaan Katup Putaran .
Kecepatan (V) Thrust
(N)
Torsi (N .
0,32499 0,68295 0,7379 Torsi (N.
Turbin Vortex dengan tinggi sudu 20 dan Series1
0,8635
0,987
Dari hasil diatas untuk turbin votax dengan ketinggian 20 cm memiliki hasil yang berbeda Ae beda dari tiap variasi bukaan Dimana untuk bukaan 750 mendapatkan daya dorong yang paling besar dan torsi putaran yang tinggi.
Sedangkan nilai paling kecil terdapat pada sudut 300 dimana terjadi reversal yang menyebabkan putaran Hal tersebut terlihat dari nilai thrust yang bernilai negatif.
Sehinga didapatkan grafik pada Gambar 19.
bukaan katup Gambar 20.
Diagram Torsi Dari hasil diatas disimpulkan bahwa hasil paling baik berada pada variasi 750 sedangkan paling buruk pada 300.
Sehingga dilakukan perbandingan simulasi antara keduanya seperti pada Gambar 21.
AME(Aplikasi Mekanika dan Energ.
: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin 8 .
, pp 66-77 Muryanto dan Zariatin, 2022 .
750 Gambar 22.
Perbandingan Tekanan Disekitar Turbin .
750 Dari perbandingan tekanan pun dapat terlihat, tekanan pada 300 memiliki nilai yang lebih kecil dibandingkan 750.
Hal ini diakibatkan sedikitnya aliran yang terputar pada daerah turbin sehingga menyebabkan banyak bagian yang tidak dilalui aliran sehingga tekanan mengalami penurunan.
Gambar 21.
Perbandingan Kecepatan Aliran Terlihat dari Gambar 21, pada 300 terlihat banyak aliran yang terbuang sehingga menyebabkan thrust yang dihasilkan lebih Sedangkan aliran pada 600 lebih terpusat dan tidak terlalu banyak aliran yang terbuang sehingga menghasilkan thrust yang besar.
750 Gambar 23.
Tekanan pada Turbin AME(Aplikasi Mekanika dan Energ.
: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin 8 .
, pp 66-77 Muryanto dan Zariatin, 2022 Hasil Analisis CFD Sudu Water Turbine Vortex dengan Bentuk Kurvatur.
Data Hasil Pengujian Spesimen Untuk data hasil pengujian spesimen sudu Water Turbine Vortex dengan ketinggian sudu 20 cm kemiringan 25A, ketinggian sudu 40 cm kemiringan 25A dan bentuk kurvatur dapat di lihat pada Table 6 samapai dengan Table 9.
Table 3.
Data hasil pengujian debit sudu water turbin vortex pada diameter 56 cm, dan waktu 0,5 menit Bukan Jarijari Tinggi Volume .
Volume (L) 32,7414 Debit .
/mi.
86,90 2,89 88,62 2,95 91,09 3,04 96,01 3,20 1,09 Table 4.
Data hasil pengujian sudu water turbin vortex dengan bentuk kurvatur daya waktu pengujian selama 5 menit Bukaan Katup Debit /de.
Tegangan (V) Kuat
Arus
(I)
Kecepatan Putar Daya (Wat.
1,09 0,11 0,517 0,26 2,782 2,95 0,29 3,364 3,04 0,32
3,84
0,35
4,34
Table 5.
Data hasil pengujian sudu water turbin vortex dengan ketinggian sudu 20 cm dan kemiringan 25A daya waktu pengujian selama 5 menit Bukaan Katup Debit /de.
Tegangan (V.
Vol.
Kuat
Arus
(I)
Kecepat an Putar
Daya
(P,
Wat.
1,09 0,11 0,44 0,22 2,024 2,95 0,27 3,024 3,04 0,28
3,276
0,31
3,72
Table 6.
Data hasil pengujian sudu water turbin vortex dengan ketinggian sudu 40 cm dan kemiringan 25A daya waktu pengujian selama 5 menit Bukaan Katup Debit /de.
Tegangan (Vol.
Kuat
Arus
(I)
Kecepatan Putar .
, rp.
Daya (Wat.
1,09 2,95 3,04 0,26 0,27 0,28 2,834 3,051 3,248 Berdasarkan hasil pengujian sudu water turbin vortex dengan ketinggian sudu 20 cm kemiringan 25A, ketinggian sudu 40 cm kemiringan 25A dan bentuk kurvatur dari Tabel 6 sampai dengan Tabel 9 dapat disimpulkan pada Gambar 23 dan Gambar 24 berikut ini.
daya (Wat.
Sedangkan dari tekanan pada geometri turbin tidak jauh berbeda, namun dapat dilihat dimana dominasi warna biru tua pada geometri 300 lebih banyak dibandingkan 750.
Hal ini berhubungan dengan jumlah aliran yang melalui geometri turbin.
Semakin banyak daerah geometri yang tidak terlalui aliran maka akan menyebabkan turunnya tekanan pada daerah tersebut tinggi sudu 20 dan sudut 25A DEBIT ( l/deti.
Gambar 24.
Grafik Hubungan Debit dengan Daya pada ketinggian sudu 20 cm kemiringan 25A, ketinggian sudu 40 cm kemiringan 25A dan bentuk kurvatur.
AME(Aplikasi Mekanika dan Energ.
: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin 8 .
, pp 66-77 Muryanto dan Zariatin, 2022 Dari Gambar 23 dapat disimpulkan bahwa daya yang paling besar dihasilkan oleh water turbin vortex dengan merubah sudu kemiringan dan sudu berbentuk kipas dengan sudu bentuk kurvatur pada bukaan katup 90A atau bukaan katup penuh dengan debit 3.
2 l/detik sehingga menghasilkan daya sebesar 4.
34 Watt.
putaran (Rp.
Debit .
/deti.
tinggi sudu 20 dan sudut 25A Gambar 25.
Grafik Hubungan Debit dengan Kecepatan Putar pada ketinggian sudu 20cm kemiringan 25A, ketinggian sudu 40cm kemiringan 25A dan bentuk kurvatur.
Dari Gambar 25 dapat disimpulkan bahwa kecepatan putar yang paling besar dihasilkan oleh water turbine dengan sudu bentuk kurvatur pada bukaan katup 90A atau bukaan katup penuh dengan debit 3.
2 l/ menits ehingga menghasilkan kecepatan putar 117,7 Rpm.
KESIMPULAN
Kesimpulan Perubahan water turbine vortex dengan ketinggian sudu 20 cm kemiringan 25A, ketinggian sudu 40cm kemiringan 25A dan bentuk kurvatur berpengaruh terhadap putaran sudu dan daya listrik yang dihasilkan oleh sudu water turbine vortex sebagai pembangkit listrik tenaga mikro hidro.
Hal ini dapat dilihat dari hasil percobaan bahwa tiap-tiap variasi ketinggian sudu, sudut sudu dan bentuk kurvatur menghasilkan putaran dan daya listrik yang berbeda-beda.
Bentuk sudu water turbin vortex yang menghasilkan putaran dan daya listrik paling optimal terdapat pada bentuk kurvatur dengan bukaan katup 900 debit 3,2 l/det.
Bentuk sudu ini menghasilkan kecepatan putar turbin mencapai 117,7 rpm dan daya yang dihasilkan sebesar 4,34 Watt.
Dilihat dari hasil percobaan, untuk ketinggian sudu 20 cm kemiringan 25A serta bukaan katup 900 debit 3,2 l/det menghasilkan kecepatan putar sudu 114,4 rpm dan daya sebesar 3,72 Watt.
Sedangkan pada variasi ketinggian sudu 40 cm kemiringan 25A serta bukaan katup 900 debit 3,2 l/det menghasilkan kecepatan putar sudu 112 rpm dan daya yang dihasilkan sebesar 3,248 Watt.
Untuk bentuk kurvatur pada bukaan katup 900 debit 3,2 l/det menghasilkan kecepatan putar sudu 117,7 rpm dan daya yang dihasilkan sebesar 4,34 Watt.
Saran Setelah dilakukan penelitian ini ada beberapa saran yang harus dilakukan untuk mengembangkan penelitian berikutnya :
Untuk mendapatkan turbin yang lebih besar perlu di lakukan pengujian dengan debit yang lebih besar yaitu salah satu caranya di lakukan pengujian di sungai.
Perlu adanya pengujian torsi untuk mengetahui daya mekanik yang di hasilkan oleh turbine water vortex.
Perlu adanaya penyempitan di sudu bansine cone agar putaran sudu water vortex lebih REFERENSI