OPTIMASI KINERJA TURBIN CROSS FLOW DENGAN TIGA NOSSE

Mallisa, Mika

Rantererung, Corvis L

Tandiseno, Titus

English

Portal E-Journal System PNUP (Politeknik Negeri Ujung Pandang)

Prosiding 5th Seminar Nasional Penelitian & Pengabdian Kepada Masyarakat 2021  978-623-98762-1-0  Bidang Ilmu Teknik Mesin, Industri, Energi Terbarukan, Teknologi Pertahanan 7  OPTIMASI  KINERJA  TURBIN  CROSS FLOW  DENGAN TIGA  NOSSEL     Corvis L Rantererung1), Titus Tandiseno 2, Mika Mallisa3)  1) Dosen Jurusan Teknik Mesin, Universitas Kristen Indonesia Paulus, Makassar 1) Dosen Jurusan Teknik Elektro, Universitas Kristen Indonesia Paulus, Makassar 2) Dosen Jurusan Akuntansi, Universitas Kristen Indonesia Paulus , Makassar  ABSTRACT  Turbine Cross Flow optimization is carried out using three nozzles to emit and direct jets of water to the turbine runner. The test is carried out in the laboratory by testing the turbine performance in the form of rotation, turbine power and work efficiency of cross flow turbine. This turbine testing research has been carried out by utilizing potential energy and water pressure energy to be converted into kinetic energy in the nozzle and then converted into mechanical energy in the turbine to produce turbine power. Optimization of cross flow turbine performance with three nozzles shows that there is an increase in turbine rotation, power and turbine efficiency compared to previous studies that only used one nozzle. This happens because of the spray of water from the nozzle with a high speed that is more directed, evenly distributed and more stable to drive the turbine blades, so as to produce optimum turbine performance, turbine rotation is 633 rpm, turbine power is 4.3021 Watt and turbine efficiency is 79. 73%.  Keywords: Optimization, Crossflow Turbine, Three Nozzles   1. PENDAHULUAN Energi air  sangat baik dimanfaatkan menjadi sumber energi     pembangkit listrik secara optimal dari  energi potensial dan energi  kinetik air. Energi listrik merupakan salah satu faktor utama dalam menunjang  perkembangan  nasional dengan  adanya peningkatan jumlah penduduk dan aktivitas industri yang menyebabkan meningkatnya konsumsi energi. Pertambahan kebutuhan energi untuk keperluan produksi dan pembangkitan listrik yang lebih efisien untuk dapat  memenuhi kebutuhan listrik di daerah tertinggal. Perubahan energi  air adalah  membutuhkan peralatan  mekanis berupa  turbin cross flow [1]. Energi  potensial air sangat dipengaruhi oleh tinggi jatuh air dan  energi kinetik sangat bergantung  dengan kecepatan aliran air . Turbin Cross flow  merupakan turbin impuls, yaitu turbin yang digerakkan oleh energi kinetik air. Semprotan (jet) air yang berkecepatan tinggi menggerakkan sudu turbin pada runner  sehingga energi air diserap oleh  runner. Tekanan air masuk dan keluar  sudu adalah tekanan atmosfir [2]. Turbin cross flow  merupakan   turbin impuls yang sangat baik. Turbin  ini mampu dioperasikan dengan  satu atau lebih  nozzle, air  memasuki  sudu runner turbin. Tenaga berasal dari gaya air dari  tekanan tinggi yang menumbuk  sudu-sudu turbin  sehingga dinamai impuls turbin [3].   Saat ini turbin cross flow  menjadi perhatian banyak praktisi dimanfaatkan pada range  debit  dan head yang lebih luas dengan  konstruksi  yang sederhana  dan ekonomis. Penggunaan turbin ini sangat menghemat biaya pembuatannya dari  dari pada  kincir air, karena ukuran turbin cross flow lebih kecil [4]-[6].     Turbin air cross flow adalah  sangat baik untuk merubah energi potensial dan kinetik air  menjadi  enaga mekanis. Turbin terdiri dari deretan sudu sudu yang berputar (rotor) dan sudu-sudu yang tidak berputar (stator). Pemanfaatan kecepatan aliran air  sebagai penggerak turbin impuls dengan adanya gaya reaksi aliran air  masuk dan meninggalkan sudu-sudu rotor. Putaran turbin terjadi pada saat kecepatan air  membentur sudu-sudu rotor dan rotor bergerak putar, sudu rotor menyebabkan terjadinya gaya reaksi yang menghasilkan tenaga . Penelitian ini dilakukan untuk menerapkan dan menguji optimasi kinerja  turbin cross flow   oleh  turbin cross flow multi nozzle. [7]   Turbin air pertama ditemukan agar dapat  digunakan untuk menghasilkan energi mekanis sebagai penggerak generator listrik  [8]. Sekarang paling umum dipakai untuk penggerak  generator listrik dan  dimanfaatkan secara luas sebagai sumber energi yang dapat diperbaharukan. Turbin air merupakan peralatan utama sebagai sebuah mesin berputar yang mengambil energi dari gerakan aliran   fluida.   Turbin sederhana memiliki satu bagian yang bergerak, . fluida yang menggerakkan sudu runner berputar dan menghasilkan energi mekanis untuk menggerakkan rotor.  Perkembangan  turbin  membutuhkan jangka waktu yang cukup lama, dalam waktu revolusi industri menggunakan metode dan prinsip ilmiah.  Perbedaan dasar antara turbin air awal dengan kincir air adalah komponen putaran air yang memberikan energi pada poros yang berputar dan memungkinkan turbin dapat memberikan daya yang lebih besar dengan komponen  lebih kecil dengan putaran lebih cepat yang memanfaatkan head jatuh air yang lebih tinggi.   1 Korespondensi penulis: Corvis L Rantererung, Telp 085250626271, corvisrante@yahoo.com,  corvis@ukipaulus.ac.id Prosiding 5th Seminar Nasional Penelitian & Pengabdian Kepada Masyarakat 2021  978-623-98762-1-0  Bidang Ilmu Teknik Mesin, Industri, Energi Terbarukan, Teknologi Pertahanan 8  Bagian-bagian turbin tersebut antara lain : (1)Rotor yaitu bagian yang berputar pada sistem yang terdiri dari sudu-sudu berfungsi untuk menerima beban pancaran yang disemprotkan oleh nozzle.Poros berfungsi untuk meneruskan   tenaga  berupa gerak putar yang dihasilkan oleh sudu. (2).Bantalan berfungsi sebagai dudukan poros  dengan tujuan agar tidak mengalami keausan komponen rotot dan stator pada sistem. (3).Stator yaitu bagian yang diam pada sistem yang terdiri daripada pengarah/nozzle berfungsi untuk meneruskan aliran fluida sehingga tekanan dan kecepatan alir fluida yang digunakan di dalam sistem   besar rumah turbin berfungsi sebagai rumah kedudukan komponen komponen yang ada.    Berdasarkan perubahan momentum fluida kerjanya, turbin air dapat dibagi atas dua tipe yaitu   (1). Turbin Reaksi adalah memanfaatkan energi potensial untuk menghasilkan energi gerak. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama memalui sudu.  Adapun jenis-jenis dari turbin reaksi antara lain: (a).Turbin Francis , (b).Turbin Francis, (c).Turbin Kaplan.   (2).Turbin Impuls  adalah energi potensial air diubah menjadi energi kinetik dengan nozel. Air keluar nozel dengan pancaran kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impuls). Akibat dari perubahan momentum roda turbin akan berputar. Turbin impuls memiliki tekanan yang sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya.  Adapun jenis-jenis dari turbin impuls antara lain: (1) Turbin Pelton, (2). Turbin (3).Turgo dan (4). Turbin Cross Flow            Turbin Cross Flow    adalah secara  sederhana mengalir air  melalui runner dan nossel turbin. Runner turbin  terbentuk dari  dua buah piringan sudu yang sejajar  dihubungkan oleh  susunan sudu yang melengkung Nossel turbin cross flow  yang berfungsi mengarahkan aliran ke sudu pada runner. Nossel turbin memancarkan air  masuk ke sudu–sudu runner, air  melintasi dan menggerakkan sudu-sudu pada runner terjadi dua kali, pertama  air masuk pada bagian depan atau  bagian atas sudu-sudu turbin. Kemudian pada tahap  kedua air keluar  sudu tahap pertama dan  mengalir melintasi ruang tengah ke sudu dibelakang dan bagian bawah runner, sehingga disebut  turbin dua tingkat. Bagian air yang melintasi runner sebanyak dua kali dikenal sebagai cross-flow, dan nama turbin berasal dari fenomena ini. Ada sebagian besar dari debit air yang terikut dalam blade dan terlempar keluar dari runner pada saat berputar, ini disebut dengan  entrained flow. Kinerja  turbin cross flow multi atau tiga nossel dapat dihitung dengan analisa sebagai berikut : 1). Daya Hidrolis  adalah daya  dihasilkan  oleh aliran air mengalir dari suatu level ketinggian tertentu. Besarnya debit air dan head masing-masing diperoleh dengan menggunakan alat ukur yang terpasang pada pipa.  Head adalah energi yang dikandung oleh fluida persatuan berat fulida tersebut. Head diukur dengan menggunakan alat ukur tekanan (pressure gauge), dengan demikian dapat diperoleh besarnya head yaitu :              PH =  H.Q. ρ .g…………………………………………………………………………….     (1)       Keterangan : H  =  head (m)  . Q  =  debit air (m3/s) , ρ  =  massa jenis air (kg/m3) ,                             g  =  percepatan gravitasi (m/s2)   2).Daya Turbin adalah daya poros yang dihasilkan  turbin  cross flow dapat dihitung  dengan  persamaan  :    PT   = .     (Watt) ……………………………………………………………… ……     (2) Keterangan : = besarnya torsi yang terjadi (Nm),  ω = kecepatan sudut (rad/dt), F =  beban atau gaya pada Turbin air (N), r  = jari – jari pully    (m), Sehingga   torsi dapat dihitung sebagai berikut               = F . r   (Nm)  …………………………………………………………….…………..    ( 3) Kecepatan sudut (ω) dipengaruhi oleh besarnya putaran yang dihasilkan oleh turbin air cross flow , dapat dilhitung pada persamaan berikut : 60..2 n      (dtrad) ……………………………………………………………………    ( 4 ) Keterangan : ω = kecepatan sudut (  dtrad) , π  = 3,14, n  = putaran  poros turbin  (rpm) 3).Efisiensi Turbin ialah dihasilkan turbin air crossflow sebagai  perbandingan dengan daya dari turbin  terhadap  daya yang disuplai oleh air , dapat diperoleh  :              )5...(....................................................................................................%.........100ATTPP       Keterangan : ηT  = Efisiensi dari turbin  (%), P T = Daya dari  turbin  (Watt), Ph = Daya dari  air (Watt)   Prosiding 5th Seminar Nasional Penelitian & Pengabdian Kepada Masyarakat 2021  978-623-98762-1-0  Bidang Ilmu Teknik Mesin, Industri, Energi Terbarukan, Teknologi Pertahanan 9  2. METODE PENELITIAN        Penelitian dilakukan di  Laboratorium Teknik Mesin UKI Paulus, dan waktu penelitian dilaksanakan pada bulan  Juli sampai September 2021.     Pada penelitian ini digunakan 1). Mempersiapkan bahan alat, 2). Membuat komponen Turbin Cross flow  tiga nozzle, 3). Memasang semua komponen dan instrumen penelitian, 4).Memasang Bak  air sebagai penampung,  dan mensuplai air  masuk ke  penstock turbin, 5). Menggunakan tiga pipa penstock   untuk   mengalirkan   air  ke nozzle  turbin,  4).Nozzle adalah berfungsi untuk mengubah energi potensial air  menjadi energi kinetis air dan memancarkan  air ke    sudu turbin,  6). Flowmeter, digunakan untuk mengukur kapasitas aliran air.  7). Tachometer untuk mengukur besarnya rotasi atau putaran turbin. 9). Pengambilan, pengumpulan dan  menganalisa  data.  3. HASIL DAN PEMBAHASAN     Hasil penelitian adalah  menghasilkan unit turbin cross flow dengan menggunakan tiga nossel sebagai komponen utama untuk mengubah energi potensial dan tekanan air menjadi energi kinetis sebagai penggerak sudu-sudu runner turbin  dengan instalasi pengujian dapat dilihat pada gambar 1 sebagai berikut                                           Gambar 1  Istalasi Pengujian Turbin Cross Flow 3 (tiga) Nossel Setelah pengumpulan data hasil penelitian dan perhitungan kinerja turbin cross flow yang menggunakan tiga nossel maka hasilnya dapat ditunjukkan pada tabel 1 sebagai berikut: Table  1. Data Hasil Penelitian Bukaan Katup (%) Head (m) Debit Air 10-3m3/s Daya Air (Watt) Putran (RPM) Daya Turbin (Watt)      Eff      (%)  25 1,5 2,9036 4.2512 234 1.5185 35.71 50     1,5 3,3903 4.9639 457 2.9656 59.74 75     1,5 3,5030 5.1289 589 3.952 77.05 100     1,5 3,6855 5.3961 633 4.3021 79.73  Turbin Cross Flow dengan tiga  nozzle adalah dibuat dan dirakit dari material plat Arcrilik yang ringan dan transparan diproses  menggunakan  mesin produksi berdasarkan dimensi hasil yang direncanakan. Pemanfaatan turbin cross flow dengan menggunkan multi nozzle adalah   diproses dengan menggunakan beberapa mesin produksi sesuai dengan dimensi hasil desain dan secara lengkap. Berdasarkan grafik Turbin Cross Flow sangat bergantung pada kondisi ketinggian jatuh air dan kapasitas aliran air. Pancaran air dari 3 nossel turbin diarahkan ke sudu-sudu turbin sehingga runner turbin bergerak menghasilkan daya mekanis turbin [1].  Prosiding 5th Seminar Nasional Penelitian & Pengabdian Kepada Masyarakat 2021  978-623-98762-1-0  Bidang Ilmu Teknik Mesin, Industri, Energi Terbarukan, Teknologi Pertahanan 10     Gambar 2. Grafik hubungan Bukaan Katup dengan Daya Turbin Pada gambar grafik hubungan pembuakaan katup dengan daya turbin cross flow  dengan tiga nossel menggambarkan bahwa semakin besar pembukaan katup maka semakin besar debit dan massa air masuk ke turbin sebagai penggerak sudu-sudu runner turbin [4]. Hal tersebut menyebakan daya turbin dihasilkan semakin besar seriring dengan semakin besarnya debit atau kapasitas air masuk ke turbin.    Gambar 3. Grafik hubungan Bukaan Katup denga Effisiensi  Turbin Pada gambar 2 dan 3   menunjukkan bahwa  daya  yang dihasilkan turbin yang paling rendah  yakni  1,5185 Watt dengan daya air masuk turbin yaitu 4,2512    Watt  dengan effisiensi hanya 35,71 %, pada saat  bukaan katup pipa penstok 25 % daya Turbin cross flow dengan  3 nossel  paling optimum diperoleh pada bukaan Katup 100% sebesar 4,3021 Watt pada putaran turbin  sebesar 633 rpm  dengan daya air 5,3961 Watt dengan effisiensi 83,33 % . Sedangkan hasil penelitian oleh peneliti terdahulu yang juga menggunakan Turbin Cross Flow dengan nossel tunggal hanya memperoleh effisiensi maksimum 74,68% [5]. Hal ini terjadi karena debit air paling besar masuk turbin sehingga  lebih besar energi air yang terserap pada sudu turbin cross flow  dengan multi nossel  yakni menggunakan tiga nossel (water jet). Kemudian  besar kecilnya daya dan effisensi turbin cross flow  adalah sangat bergantung pada besar kecilnya kapasitas debit air  menggerakkan  susu runner turbin [6]. Energi mekanis yang dihasilkan turbin adalah dipengaruhi oleh  besarya penyerapan  energi air yang dapat diubah  menjadi  daya  turbin [7].      Keunikan dan keunggulan Turbin cross flow tiga nossel adalah adanya pancaran air yang terdistibusi merata menggerakkan sudu-sudu runner turbin dan tdak ada terjadi  Kavitasi dalam turbin cross flow [8]. Kemudian efisiensi turbin juga tergantung pada seberapa banyak energi potensial air diubah menjadi energi kinetik dalam tiga nozzle turbin air lintas aliran [9]. Air keluar dari nosel yang memiliki kecepatan sangat tinggi mengenai bilah turbin. Setelah mengenai arah sudu, kecepatan aliran berubah sehingga momentum berubah yang menyebabkan roda turbin berputar dan menghasilkan tenaga mekanis turbin air [10]. Prosiding 5th Seminar Nasional Penelitian & Pengabdian Kepada Masyarakat 2021  978-623-98762-1-0  Bidang Ilmu Teknik Mesin, Industri, Energi Terbarukan, Teknologi Pertahanan 11   4. KESIMPULAN       Hasil pengujian  optimasi turbin cross flow dengan tiga nozzle adalah mampu  menghasilkan  kinerjanya lebih optimal dengan adanya peningkatan  kinerja yaitu putaran poros turbin lebih stabil karena blade runner turbin lebih efektif dalam menyerap energi air dari tenaga air nosel ( PH) =5,3961 Watt dan daya turbin (PT) = 4,3021 Watt, serta effisiensi turbin (ήT) = 79.73%  5. DAFTAR PUSTAKA  [1]  S.U.Patel, P.N.Pakale,”Study On Power Generation By Using Cross Flow Water Turbine In Micro Hydro Power  Plant,” International Journal of Research in Engineering and Technology, Vol. 04, No. 05, pp.1-4, May 2015. [2]  C. L. Rantererung, S. Soeparman, R.Soenoko, S.Wahyudi,”The Dual Nozzle Cross Flow Turbine Performance,”  Vol. 11, No. 13, pp. 8538-8543,July 2016. [3] C.L. Rantererung, S.Soeparman, R.Soenoko, S.Wahyudi.”Vertical And Horizontal Nozzle  Effectiveness In Cross Flow Turbines,” International Journal of Mechanical Engineering and Technology, Vol. 9, No.10, pp. 504–51, October 2018. [4] J. D. Patel, K. D. Patel, D.A. Patel, “To Examine the Effect of Mass Flow Rate on Cross Flow Turbine using Computational Fluid Dynamics,” International Journal of Engineering Research & Technology, Vol. 4 , No.05, pp.1094-1096, May 2015. [5]] M. A. Khan and S.Badshah,”Design and Analysis of Cross Flow Turbine for Micro Hydro Power  Application using Sewerage,” Water Research Journal of Applied Sciences. Engineering and Technology. Vol.8, No.7, pp. 821-828, Agustus  2014. [6] C.L. Rantererung, T.Tandiseno, M.Malissa,”Multi Nozzle Paralel To Improve Efficiency Cross Flow  Turbine,” ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, Vol. 14, No. 2, pp.550-555, January 2019. [6] C.L. Rantererung, S.Soeparman, R.Soenoko, S.Wahyudi, “Dual Nozzle Cross Flow Turbine  As  An  Electrical Power Generation,” ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, Vol.11, No.1, pp.15-19, January 2016 [7] C.A.Consul and R.H.J Willden,“Influence of Flow Confinement on the Performance of a Cross Flow Turbine ,” 3rd International Conference on Ocean Energy, pp.1-6, December 2011. [8] L.Jasa, A. Priyadi,M.H. Purnomo,”Designing angle bowl of Turbine for Micro-hydro atTropical Area,”IEEE International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis, Senin-Kamis, 23-27 September 2012. [9] Purwantono, Refdinal, Hendri, Syahrul, “Development Of Model Of Propeller-Cross Flow Water Turbine For Pico Hydro Power Generator Litle,” International Conference on Technical and Vocation Education and Training, pp.406-408, Kamis-Sabtu, 9-11, November,  2017 [10]R.Risdianto,Ismail, E.A. Pane,”Experimental Study Of Crossflow Turbines With Variations Flow Guide In Runner For Sea Wave Power Plants,”  Prosiding SNTTM XVIII, pp.1-10, Rabu-Kamis, 9-10 October 2019.  6. UCAPAN TERIMA KASIH            Penulis tak lupa menyampaikan terima kasih kepada  Dikti  Kemedikbudristek dan  LPPM UKI Paulus atas dukukungannya sehingga penelitian dan penulisan artikel ini bisa selesai serta ucapan terima kasih disampaikan kepada panitia seminar nasional  sehingga bisa diikutkan dalam acara The 5th Seminar Nasional Penelitian dan Pengabdian Kepada Masyarakat (SNP2M)  2021, Politeknik Negeri Ujung Pandang.  

OPTIMASI KINERJA TURBIN CROSS FLOW DENGAN TIGA NOSSEL

http://jurnal.poliupg.ac.id/index.php/snp2m/article/download/3163/2696

OPTIMASI KINERJA TURBIN CROSS FLOW DENGAN TIGA NOSSEL

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Portal E-Journal System PNUP (Politeknik Negeri Ujung Pandang)