Perancangan, Pembuatan, dan Pengujian Purwarupa Turbin Aliran Aksial Untuk

Pembangkit Energi Listrik Mikro Hidro Head Rendah di Aceh

Irwansyah1, Hamdani

1, Razali

2, Pribadyo

2,Anwar

3

1) Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala, Banda Aceh, Aceh

2) Magister Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala, Banda Aceh, Aceh

3) JurusanTeknikMesin, PoliteknikNegeriLhokseumawe, Aceh Utara, Aceh

e-mail : wansyah_ir@yahoo.com

Abstrak

Pemanfaatan turbin air aliran aksial pada pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH) head rendah di

Aceh, masih sangat terbatas. Umumnya, PLTMH yang dibangun oleh lembaga pemerintah atau non-

pemerintah menggunakan turbin air jenis impuls aliran melintang (crossflow). Penggunaan turbin jenis ini

menghendaki tinggi jatuh air yang tinggi (head tinggi), akan tetapi tidak semua daerah di Aceh yang belum

terjangkau layanan listrik memiliki sungai dengan head tinggi. Disamping itu turbin aliran melintang tidak

dapat berputar cepat pada head rendah. Menyikapi hal tersebut, turbin aliran aksial diajukan sebagai turbin

alternatif yang digunakan untuk PLTMH head rendah. Berdasarkan hasil penelitian sebelumnya mengenai

pemanfaatan turbin aliran aksial pada head rendah, ditemukan bahwa masih terdapat kekurangan pada

efisiensi unjuk kerja turbin. Hal ini disebabkan oleh salah satunya adalah belum optimal rancangan sudu

turbin aliran aksial. Pada penelitian ini, peningkatan efisiensi turbin aliran aksial dilakukan dengan

merancang beberapa variasi turbin aliran aksial, membuat purwarupa dan melakukan pengujian skala

laboratorium. Parameter perancangan sudu turbin yang dievaluasi adalah sudut sudu turbin. Berdasarkan

hasil pengujian diperoleh daya luaran turbin yang hasilkan 3 kW dengan besar efisiensi 54 %.

Kata Kunci: PLTMH head rendah; turbin aliran aksial; sudu turbin; daya , efisiensi turbin

DaftarSimbol

H Head turbin (m)

N Kecepatan putaran turbin (rev/min)

Ns Kecepatan spesifik

P Daya

Pr Daya rasio (site/reference)

Q Laju alir (m3/det)

S

g

Luaspenampang tubular

Densitas fluida Percepatan gravitasi (m/det

2)

u

α

re

ri

Vektor absolut Kecepatan sudu relatif Kecepatan putar (rad/det) Sudut sudu turbin Radius

ujung sudu Radius

pangkal hub sudu

Sebahagian besar pembangkit listrik tenaga

mikro hidro (PLTMH) yang beroperasi di kawasan

propinsi Aceh menggunakan turbin impuls aliran

jenis aliran melintang (crossflow) sebagai alat pengkonversi energi. Pemilihan untuk menggunakan

turbin jenis ini mensyaratkan bahwa

pembangunan PLTMH hendaknya berada pada

lokasi yang memiliki tinggi jatuh air yang tinggi

(head tinggi). Namun demikian, tidak semua daerah

terpencil di Aceh yang belum terjangkau aliran listrik

memiliki sumber air dengan tinggi jatuhnyayang

tinggi (Hamdani, et al. 2009).Disampingitu, beberapa

sumber air di daerah Aceh seperti saluran-saluran

irigasi tradisional dan sungai dengan head rendah belum termanfaatkan secara optimal sebagai sumber penggerak pembangkit listrik tenaga hidro.

Dengan demikian perlu kiranya dipertimbangkan

pemilihan dan penggunaan jenis turbin yang dapat

bekerja pada daerah aliran air dengan titik jatuh air

rendah (head rendah). Menurut Ramos et al, [2009],

hingga saat ini masih sangat sedikit kajian-kajian

yang dilakukan mengenai kerja turbin aksial atau

propeller sebagai turbin pembangkit listrik tenaga

mikro. Khususnya, untuk menyelesaikan

permasalahan rendahnya daya luaran yang

diakibatkan oleh ketidaksesuaian perancangan,

efisiensi, ukuran dan ketidakstabilan operasi.

Hamdani et al, [2009], melakukan penelitian

mengenai pengembangan turbin aliran aksial untuk

pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH)

head rendah. Terangkum dari hasil penelitian

menyatakan bahwa potensi sumber energi air yang

terdapat di Aceh cukup layak dimanfaat untuk

pengembangan PLTMH dengan menggunakan

turbin head rendah (2–5 m). Berdasarkan penelitian

tersebut ditemukan bahwa efisiensi turbin hasil

rancangan jauh lebih kecil dibandingkan efisiensi

yang diasumsi pada perancangan ukuran utama

turbin. Sehingga perlu dilakukan kajian lanjut

terutama mengenai geometri bentuk sudu turbin

yang belum optimal dan realibilitas unjuk kerja

elemen-elemen mesin menerima tekanan fluida

selama turbin beroperasi. Perbaikan rancangan

turbin dilakukan dengan menelaah literatur

mengenai turbin tenaga air yang sesuai untuk head

rendah, memperkecil dan mengoptimalkan geometri

sudu turbin. Perilaku turbin aliran aksial sangat

dipengaruhi oleh kondisi aliran fluida dan

konfigurasi sudu-sudu turbin, terutama pada aliran

masuk dan keluar serta bentuk turbin itu sendiri.

Berdasarkan hal tersebut, untuk meningkatkan

daya luaran turbin yang dipengaruhi oleh faktor

perancangan, efisiensi, ukuran dan ketidakstabilan

operasi turbin. Maka, penelitian ini dilakukan

dengan melakukan perancangan sudu turbin aliran

aksial menggunakan program aplikasi komputer

CAD/CAE dan pengujian prestasi turbin. Sehingga

diperoleh sebuah purwarupa turbin aliran aksial

dengan efisiensi yang baik berkisar 75% sampai

dengan 80%. Sejalan dengan tujuan penelitian ini

adalah untuk mencapai optimalisasi efisiensi turbin

aliran aksial pada PLTMH head rendah.

Konsep Desain

Teori dasar perancangan turbin hidro head rendah memiliki permasalahan yang berbeda dengan turbin hidro head tinggi. Permasalahanu tamayang

ditemukan pada turbin head rendah adalah kecepatan turbin yang rendah. Hal ini akan berdampak pada kemampuan turbin menggerak kan generator dengan kecepatan putar yang cukup sehingga mampu menghasilkan listrik berfrekuensi standar. Pengurangan head biasanya diikuti dengan menurunnya kecepatan fluida, maka kecepatan benda bergerak dalam hal ini generator juga akan ikut turun. Demikian juga halnya bila head berkurang,

laju alir fluida akan menurun. Untuk mendapatkan daya yang sama dengan turbin berhead tinggi,

maka laju alir fluida harus ditingkatkan. Sebagai akibatnya diameter turbin juga akan ikut bertambah besar dan berdampak pada kecepatan putar turbin

yang akan menurun.

Jenis Turbin

Penentuan jenis turbin pada umumnya didasarkan pada kondisi pengoperasiannya. Namun demikian,

jenis turbin juga dapat dikelompokkan menurut kecepatan spesifiknya. Kecepatan spesifik turbin hidro dapat ditentukan sesuai persamaan 1.

√

…………………………………. 1

Diantara beberapa jenisturbin yang memiliki kecepatan spesifik yang besar adalah turbin aliran aksial atau turbin propeller. Hal ini dikarenakan,

sudu turbin jenis ini bergerak memotong arah aliran fluida. Dimana, kecepatan sudu turbin lebih besar dibandingkan kecepatan aliran fluida, sebagaimana ditunjukkan pada diagram kecepatan untuk turbin aliran aksial berikut:

Gambar1. Diagram kecepatan untuk turbin aliran aksial

Turbin aliran aksial pada umumnya memiliki geometri sudu dengan kurva yang rumit. Sehingga,

turbin jenis ini membutuhkan biaya inggi pada

proses perancangan dan pembuatan. Turbin liran aksial lebih sesuai untuk digunakan pada sistem pembangkit yang besar. Beberapa penelitian sebelumnya, kebanyakan mengacu pada bagaimana menyederhanakan perancangan turbinaliran aksial dan penyesuaian sistem turbin untuk dipergunakan pada sistem pembangkit berskala kecil. Namun demikian, sangat sedikit informasi mengenai hasil penelitian yang memberikan gambaran mengenai pengaruh perancangan geometri sudu terhadap prestasi kerja turbin.

Desain Turbin

Perancangan turbin yang optimal dilakukan untuk mendapatkan hasil desain turbin dengan tingkat efisiensi (Best Efficiency Point/BEP) dan daya (Best

Power Point/BEP). Salah satu variabel

yang patut dipertimbangkan untuk mendapatkan efisiensi yang baik yaitu modifikasi desain sudu turbin. Pada dasarnya suduturbin, hub dan poros merupakan satu kesatuan dari bagian yang berputar atau dikenal dengan runner turbin. Pencapaian efisien siturbin melalui modifikasi geometri sudu turbin di lakukan dengan tetap mengacu kepada konstruksi sudu turbin yang sederhana. Sebagaimana diketahui, bentuk sudu turbin sangat komplek sehingga mempengaruhi proses pembuatan.

Sudutsuduturbin ()

Kecepatansuduturbin (r)

Kece

patan

aliran

air Kecepatan air relatifterhadapsuduturbin

BNI – Urip Sumoharjo – SBY; a.c.: 0049577731; a.n.: Ir. Sudjud Darsopuspito, MT

Perancangan turbin dengan bentuk sudu sederhana

menjadi perhatian. Penentuan efisiensi turbin dapat

dihitung menggunakan persamaan 2.

…………………………………. 2

Ramos et al, [2012], menyatakan bahwa

modifikasi desain turbin untuk mengoptimalkan

efisiensi turbin mengacu pada penentuan orientasi

sudu turbin terbaik. Proses identifikasi orientasi sudu

turbin dapat dikalkulasikan baik menggunakan

simulasi komputasi maupun eksperimental. Gambar2,

menunjukkan vektor-vektor yang bekerja pada sudu

turbin.

Gambar 2.Vektor kecepatan sudu

turbin propeller [Ramos et al, 2012]

Kecepatan putar sudu dapat ditentukan

berdasarkan persamaan 3.

c1 = c2 = ×r …………………………………. 3

Sedangkan kecepatan absolut turbin ditentukan oleh

laju alir fluida yang melalui sudu-sudu turbin,

sebagaimana ditunjukkan pada persamaan 4.

1 = 2s =

………………..…….…. 4

Sudut sudu turbin α1dan α2padamasukan (inlet)

dan luaran (outlet) aliran fluida ditentukan mengikuti

persamaan berikut,

………………..…….…. 5

=

(

)….….. 6

Perubahan sudut sudu turbin pada masukan

menuju luaran mengakibatkan aliran fluida

menumbuk sudu turbin menghasilkan putarandan

selanjutnya bergerak keluar turbin, seperti terlihat

pada diagram kecepatan runner turbin [Alexander et

al, 2009].

Gambar 3.Diagram kecepatan runner turbin

[Alexander et al, 2009]

Daya mekanik turbin dihitung dengan

mempertimbangkan torsi, kecepatan putar sudu,

densitas massa fluida, debit dan konstanta free-vortex.

…………7

Manufaktur Turbin

Penerapan program aplikasi komputer CAD/CAE pada proses perancangan konstruksi turbin aliran aksial membantud alam mewujudkan bentuk tiga

dimensi turbin aliran aksia l, sebagaimana terlihat

pada gambar4.

Gambar4. Hasil rancangan turbin aliran aksial

Sudu turbin aliran aksial biasanya dibuat

menggunakan toknologi pengecoran. Akan tetapi

penerapan teknik ini menghendaki biaya produksi

yang tinggi. Sehingga harga sudu turbin menjadi

mahal.Terkecuali bila proses pembuatannya

dilakukan dalam jumlah yang massal. Disamping

itu karena turbin aliran aksial ini diperuntukkan

sebagai pengkonversi energi pada pembangkit mikro

hidro yang biasanya diaplikasikan didaerah

pedesaaan. Maka, konstruksi sudu turbin juga harus

dapat dikerjakan oleh sumber daya lokal dan

memanfaatkan bahan baku serta teknologi

yang tersedia. Berikut ini gambar konstruksi turbin

dan sudu turbin aliran aksial yang telah dikerjakan

oleh perbengkelan sederhana.

α1(

u1V1

c1

u2 V2 V2s

V2t c2

α2 (

1

3

4

2

5

6

Ket:

1.Puli

2.Penstock

3.PorosTurbin

4.Bantalanporos

5.Suduturbin

6.Draft Tube

P

Gambar 5. Hasil pembuatan konstruksi turbin aliran axial

Purwarupa turbin aliran aksial dirancang bangun

dengan diameter 260 mm serta diperuntukkan bekerja pada head efektif 7 m dan debit desain 0,025 m3/s.

PengujianKarakteristikTurbin

Pengujian karakteristik purwarupa turbin aliran aksial dilakukan pada fasilitas uji di desa Darul Makmur, Kota Subulussalam, Aceh. Diawalidengan debit pengukuran air menggunakan alat Propeller

devicescurrent meters. Hasil pengukuran diperoleh

debit air sementara sebesar 0,05 m3/s dengan debit

desain Qd sebesar 0,025 m3/s. Pada simulasi,debit

yang digunakan divariasikan pada 0,015 m3/s, 0,02

m3/s dan 0,025 m

3/s. Besarnya daya turbin yang

diperoleh berdasarkan perubahan sudut sudu dan

perubahan debit air diperlihatkan dalamg ambar6.

Gambar6. Pengaruh sudut sudu terhadap daya

dengan debit berbeda

Pada gambar6 terlihat bahwa daya turbinakan

meningkat berbanding lurus dengan membesarnya

sudut sudu turbin, sedangkan pada kapasitas yang

besar terlihat kenaikan daya turbin yang

cenderung linier. Hal ini menunjukkan

bahwa peningkatan debit akan mampu meningkatkan

daya turbin. Putaran turbin yang diperoleh

berdasarkan perubahan sudut sudu dan debit air diperlihatkan dalam gambar 7.

Gambar7.Pengaruh sudut sudu terhadap putaran

turbin dengan debit berbeda

Putaran turbinakan meningkat seiring perubahan

sudut sudu turbin dari 20 menjadi 25, dan akan

menurun bila sudut sudu diperbesar menjadi 30 dan

35. Hal ini menunjukkan bahwa adanya titik optimal

sudut sudu untuk memperoleh putaran turbin yang

mampu menghasilkan putaran generator.

Efisiensi turbin dapat ditentukan dengan

membandingkan daya air yang tersedia dengan daya

turbin hasil pengukuran.Maka, efisiensi turbin 50%

diperoleh pada perubahan sudut sudu 30 untuk

berbagai perubahan debit. Efisiensi terbaik dihasilkan

pada perubahan sudut sudu turbin dengan debit

terbesar yaitu mencapai 80%. Hal ini menunjukkan

bahwa adanya titik optimal sudut sudu untuk

memperoleh efisiensi turbin yang baik.

Kesimpulan

Mengacu pada hasil penelitian dapat disimpulkan

bahwa telah berhasil dikembangkan satu jenis turbin

aksial head rendah untuk digunakan pada

Pembangkit Tenaga Listrik Mikrohidro.Berdasarkan

hasil rancangan dan simulasi diperoleh bahwa turbin

aliranaksial dengan sudut sudu 30memberikan

kecepatan, dayadanefisiensi yang lebih baik

dibandingkan sudut sudu turbin lainnya.

DaftarPustaka

Hamdani,Mahidin, Irwansyah, 2009. “Pengembangan turbin aliran aksial untuk

pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH)

Head rendah di desa Ramiti Sungai Mas Aceh

Barat”. Laporan penelitian Hibah Kompetitif

Penelitian Sesuai Prioritas Nasional. Lembaga

Penelitian Universitas Syiah Kuala.

Helena M. Ramos, Mariana Simao and Kayolan N.

Kenov., 2012, “Low-Head Energy Conversion:

A Conceptual Design and Laboratory

Investigation of A Micro tubular Hydro

Propeller. ISRN Mechanical Engineering.

Helena M. Ramos, Borga, A., Simao, M. 2009.

“New design solutions for low-power energy

production in water pipe systems”. Water

Science and Engineering, 2 (4):69-84.

K.V. Alexander, E.P. Gidden, A.M. Fuller., 2009,

=30

“Axial-Flow Turbines for Low Head Microhydro

Systems. Renewable Energy Journal, Vol. 34,

35-47.

BNI – Urip Sumoharjo – SBY; a.c.: 0049577731; a.n.: Ir. Sudjud Darsopuspito, MT