Eksergi Jurnal Teknik Energi Vol 8 No. 1 Januari 2012; 14 - 19

14

KAJIAN EKSPERIMENTAL TURBIN TURGO

DENGAN VARIASI SUDUT NOSEL

Bono

Prodi Teknik Konversi Energi, Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Semarang Jl. Prof. H. Sudarto, S.H., Tembalang, Kotak Pos 6199 SMS, Semarang 50329

Telp. 7473417, 7466420 (Hunting), Fax.7472396, E-mail : bno_ba61@yahoo.co.id

Abstrak

Penelitian ini bertujuan meneliti Turbin Turgo untuk Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro

(PLTMH) dengan variasi kemiringan sudut nosel pada perbandingan jet, yaitu perbandingan antara

diameter tusuk piringan (pitch diameter) dengan diameter nosel (D/d)=13. Turbin yang diuji memiliki

nosel tunggal, dengan diameter nosel d=13,6 mm, jumlah sudu Z=20 buah, dan variasi sudut kemiringan

nosel sebesar 150, 200, 250. Penelitian ini diawali dengan membuat turbin Turgo yang terdiri dari runner,

rumah turbin, dan nosel. Runner turbin terdiri dari piringan dan sudu turbin berbentuk setengah sudu

turbin Pelton. Rumah turbin dilengkapi dengan nosel yang berfungsi sebagai pengarah aliran dan pembangkit jet, sedangkan runner dan noselnya dapat dibongkar-pasang pada instalasi pengujian.

Parameter yang diukur dalam pengujian adalah debit aliran, tekanan pada nosel, putaran dan torsi poros

turbin. Hasil penelitian terhadap masing-masing runner turbin pada head 30 m dan debit 1,5398 ltr/s

menunjukkan bahwa pada sudut kemiringan nosel sebesar 200 menghasilkan daya mekanik dan efisiensi

total terbesar dibandingkan dengan sudut kemiringan nosel 150 dan 250, yaitu efisiensi maksimum 31,87

%, daya mekanik 282,01 watt, yang terjadi pada putaran 1000 rpm.

Kata kunci : Turgo, sudut kemiringan nosel

1. PENDAHULUAN Penyediaan energi di masa depan

merupakan permasalahan yang senantiasa menjadi perhatian semua bangsa karena

bagaimanapun juga kesejahteraan manusia dalam

kehidupan modern sangat terkait dengan jumlah

dan mutu energi yang dimanfaatkan. Bagi Indonesia yang merupakan salah satu negara

sedang berkembang, penyediaan energi

merupakan faktor yang sangat penting dalam mendorong pembangunan. Seiring dengan

meningkatnya pembangunan terutama

pembangunan di sektor industri, pertumbuhan

ekonomi dan pertumbuhan penduduk, kebutuhan akan energi terus meningkat.

Energi listrik yang disediakan oleh

P.T.Perusahaan Listrik Negara (PT.PLN) sampai saat ini masih belum dirasakan secara merata

oleh masyarakat terutama masyarakat pedesaan

yang jauh dari jangkauan jaringan listrik. Beberapa desa yang belum terjangkau listrik dari

PT.Perusahaan Listrik Negara memiliki potensi

mikrohidro yang belum dimanfaatkan

Air merupakan sumber energi yang

murah dan relatif mudah didapat, karena

pada air tersimpan energi potensial (pada air

jatuh) dan energi kinetik (pada air mengalir).

Tenaga air (Hydropower) adalah energi yang

diperoleh dari air yang mengalir. Energi

yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan

digunakan dalam wujud energi mekanis

maupun energi listrik. Pemanfaatan energi

air banyak dilakukan dengan menggunakan

kincir air atau turbin air yang memanfaatkan

adanya suatu air terjun atau aliran air di

sungai. Besarnya tenaga air yang tersedia

dari suatu sumber air bergantung pada

besarnya head (beda ketinggian antara muka

air pada reservoir dengan muka air keluar

dari kincir air/turbin air) dan debit air.

Ketinggian dan kapasitas aliran

merupakan faktor utama didalam

menentukan jenis turbin air yang akan

dipergunakan. Selama ini pembangkit listrik

skala mikro menggunakan turbin air jenis

Pelton, dan Crossflow, sedangkan turbin

Turgo sendiri masih jarang dijumpai di

Indonesia. Turbin Turgo dapat beroperasi

pada head 15 s/d 300 m (Anagnostopoulos

dan Papantonis, 2008). Seperti turbin

Pelton, turbin Turgo merupakan turbin

impulse, tetapi sudunya berbeda. Pancaran

air dari nosel membentur sudu pada sudut

20o. Air masuk melalui salah satu sisi

penggerak dan kemudian akan keluar dari

sisi yang lain. Selain itu turbin Turgo juga

Kajian Eksperimental Turbin Turgo Dengan Variasi Sudut Nosel (Bono)

15

dapat menampung air yang tidak terbatas,

berbeda dengan turbin Pelton yang daya

tampung dari air yang akan melalui sudu

yang terbatas dikarenakan arah air yang

meninggalkan sudu berlawanan dengan arah

air yang akan menuju ke sudu. Sehingga

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.

Turbin Turgo adalah salah satu jenis

turbin impulse yang sesuai untuk

menggantikan turbin Pelton nosel ganda (multi nozzle) dengan head rendah maupun

turbin Francis dengan head tinggi. Turbin

Turgo dapat bekerja pada head menengah

antara 15 sampai dengan 300 m.

(Anagnostopoulos dan Papantonis, 2008).

Turbin Turgo terdiri dari rumah

turbin dan runer turbin atau roda jalan.

Rumah turbin dilengkapi dengan nosel

berpenampang lingkaran. Rumah turbin

selain berfungsi untuk penempatan nosel dan

runer turbin juga untuk mengarahkan aliran

jet keluar sudu melalui saluran pembuangan.

Nosel berfungsi untuk menghasilkan jet

aliran dengan cara mengubah head tekanan

menjadi head kecepatan. Runer turbin terdiri

dari piringan dan sudu-sudu yang dipasang

pada sekeliling piringan dengan cara dibaut

atau di cor menjadi satu kesatuan (Gambar

2). Sudu-sudu turbin berfungsi untuk

mengubah energi kinetik jet aliran dari nosel

menjadi energi mekanik berupa putaran

turbin.

Potensi mikrohidro dapat

dimanfaatkan untuk menghasilkan energi

listrik melalui sistem pembangkit listrik

tenaga mikrohidro. Sistem ini terdiri dari

komponen utama reservoir, turbin air skala

mikro, generator listrik, dan instalasi pipa.

Turbin air berfungsi untuk mengubah energi

kinetik air menjadi energi mekanik berupa

putaran turbin. Energi mekanik ini kemudian

digunakan untuk memutar generator

sehingga menghasilkan energi listrik. Turbin

air yang cocok digunakan untuk sistem

pembangkit listrik tenaga mikrohidro adalah

turbin jenis impuls.

Sistem mikrohidro telah

dikembangkan di beberapa negara untuk

memenuhi kebutuhan listrik di daerah

pedalaman antara lain Peltric Set di Nepal,

Columbian Alternator System di Kolombia,

dan Pico Power Pack di Amerika. Ketiga

sistem tersebut menggunakan turbin impuls

sebagai penggerak (Maher and Smith, 2001).

Turbin impuls yang hingga kini

masih digunakan dibuat oleh Alan Lester

Pelton pada tahun 1875. turbin ini kemudian

dikenal dengan turbin Pelton. Turbin Pelton

terdiri dari roda jalan (runner) yang di

sekelilingnya dipasang sudu, dan nosel

berpenampang lingkaran.

Selain turbin Pelton, jenis turbin

impulse lainnya adalah turbin Turgo yang

awalnya dipatenkan oleh European company

pada tahun 1919. Turbin Turgo adalah jenis

turbin yang sesuai untuk menggantikan

turbin Pelton nosel ganda (multi nozzle)

dengan head rendah maupun turbin Francis

dengan head tinggi. Turbin Turgo dapat

bekerja pada head menengah antara 15

sampai dengan 300 m. (Anagnostopoulos

dan Papantonis, 2008).

Anagnostopoulos dan Papantonis,

(2008), menyarankan beberapa harga

dimensi utama turbin Turgo adalah sebagai

berikut (gambar 3) : lebar piringan putar

arah aksial B=1,45d; lebar sudu bagian

masuk b1=1,2d.

Sedangkan skema runner dan segitiga

kecepatan turbin Turgo dapat diperlihatkan

pada gambar 1 dan gambar 2.

Gambar 1. runner turbin Turgo,

(Anagnostopoulos dan Papantonis,

2008)

Eksergi Jurnal Teknik Energi Vol 8 No. 1 Januari 2012; 14 - 19

16

a

b

Gambar 2. Konfigurasi runner turbin Turgo

(a).runner, (b).segitiga kecepatan

(Anagnostopoulos dan Papantonis, 2008)

Dimensi utama piringan turbin Turgo

berdasarkan gambar 3, dapat ditentukan

dengan ketentuan sebagai berikut :

xdS 2,1

Ds (min) = 6xd

R=1,5xd Ds (optimum) = (9 s.d.10)xd

v= 1,16xd Ds (mak) = tidak terbatas

Gambar 3. Skema dimensi runner turbin

Turgo

Kualitas aliran jet yang dihasilkan

oleh nosel dapat mempengaruhi kinerja

turbin. Penelitian tentang hal ini dilakukan

oleh Kvicinsky dkk (2002), dimana analisis

aliran jet pada permukaan sudu turbin

dilakukan secara numerik maupun

eksperimen. Hasil penelitian menunjukkan

bahwa kualitas aliran jet berpengaruh pada

distribusi tekanan dan medan kecepatan pada

permukaan sudu sehingga daya dan efisiensi

turbin akan berubah.

Matthew Gass (2002), telah

memodifikasi nosel dengan dengan

mengubah sudut ujung nosel dan cincin

dudukan (seat ring), yang semula cincin

dudukan 800 dengan sudut nosel sebesar 60

0

diubah menjadi cincin dudukan 900 dengan

sudut nosel 500 (gambar 4). Perubahan sudut

dudukan dan ujung jarum berdampak pada

ukuran diameter jet pada berbagai kondisi

langkah jarum. Besar kecilnya diameter jet

air akan berpengaruh pada daya yang

dibangkitkan turbin. Modifikasi nosel ini

menghasilkan suatu peningkatan efisiensi di

atas 0.5% pada kondisi 60% beban penuh

dan peningkatan sebesar 0.9% pada kondisi

100% pembukaan jarum. Pada penelitian ini

bentuk nosel yang digunakan mengacu pada

modifikasi nosel yang dilakukan oleh Matthew Gass.

Gambar 4. Komponen nosel yang

dimodifikasi (Matthew Gass, 2002)

Turbin Turgo pernah dibuat di, Sri

Lanka (Investigation of Turbine Design, Sri

Lanka Picohydro Series, 2006) dengan

menggunakan bahan pipa baja. Sudu terbuat

dari pipa baja berdiameter 55 mm, yang

dipotong memanjang, menjadi tiga bagian

sama besar. Pipa berdiameter 55 mm, untuk

diameter dalam turbin, dan pipa berdiameter

115 mm, untuk diameter luar turbin, yang

dipotong secara radial/melingkar. Kedua

bagian pipa yang telah dipotong tersebut

kemudian disatukan dengan cara dilas,

Kajian Eksperimental Turbin Turgo Dengan Variasi Sudut Nosel (Bono)

17

dengan potongan pipa melingkar berfungsi

sebagai diameter dalam dan diameter luar

turbin, dan potongan pipa memanjang

berfungsi sebagai sudu. Sudu mempunyai

dimensi sebagai berikut; sudut masuk 400 ,

sudut keluar 200 , panjang sudu 25 mm, jari-

jari kelengkungan sudu 22,5 mm. (gambar 5

dan 6). Pada proses pembuatan turbin ini

kesulitan yang dihadapi adalah bagaimana

caranya agar diameter dalam dan diameter

luar turbin dapat konsentris (satu sumbu).

Gambar 5. Sisi masuk turbin Turgo

Gambar 6. Sisi keluar turbin Turgo

2. METODE PENELITIAN

Penelitian ini diawali dengan

membuat turbin Turgo yang terdiri dari

runner turbin dan rumah turbin. Runner

turbin terdiri dari piringan dan sudu turbin.

Runer yang dibuat dari bahan aluminium

dengan sudu berjumlah 20 buah, Rumah

turbin dilengkapi dengan nosel yang

berfungsi sebagai pengarah aliran dan

pembangkit jet, dimana sudut kemiringan

noselnya dapat diatur. sedangkan runner dan

noselnya dapat dibongkar-pasang pada

instalasi pengujian. Bagian depan rumah

turbin dibuat dari lembaran akrilik. Hal ini

dimaksudkan agar fenomena yang terjadi di

dalam runer dapat diamati.

Instalasi pengujian (gambar 9) terdiri

dari komponen utama pompa air, turbin

Turgo, nosel, Generator listrik atau

dinamometer, beban turbin, dan instalasi

perpipaan, yang dilengkapi alat ukur

pengujian meliputi manometer, rotameter,

tachometer, termometer dan alat ukur torsi.

Pengujian yang dilakukan meliputi

uji karakteristik turbin, dimana perbandingan

jet dibuat sebesar 13, dengan sudut

kemiringan nosel dapat diatur mulai dari

sudut 150 sampai dengan 25

0. Hasil uji

berupa grafik karakteristik turbin untuk

masing-masing sudut kemiringan nosel

Parameter yang diukur dalam pengujian

adalah debit aliran, tekanan pada nosel,

putaran turbin dan torsi poros turbin.

Parameter yang ditentukan dan

merupakan variabel dalam penelitian ini

adalah sudut kemiringan nosel yaitu 150, 20

0,

250, Beban turbin divariasikan dan setiap

variasi dilakukan pencatatan terhadap

parameter-parameter diatas.

Gambar 7. Sudu Turbin Turgo

Gambar 8. Runner turbin Turgo

Eksergi Jurnal Teknik Energi Vol 8 No. 1 Januari 2012; 14 - 19

18

1.Bak buangan 2. Runner turbin 3. Nosel

4. Rumah turbin 5. Kerangka 6. Generator AC

7. Flow meter 8. Selang fleksibel 9. Manometer

Gambar 9. Instalasi pengujian turbin Turgo

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Piringan putar (runner) turbin yang

digunakan dalam penelitian ini mempunyai

dimensi sebagai berikut : lebar sudu bagian

masuk sebesar b1=33 mm, lebar piringan

putar arah aksial B=28,5 mm, kedalaman

sudu 13,3 mm, sudut masuk sudu 1=400 ,

sudut keluar sudu 2=100 , jumlah sudu

Z=20 buah, sedangkan diameter nosel

d=13,6 mm, diameter pitch piringan putar

dibuat sebesar D=185 mm.

Grafik hubungan antara daya

mekanik, efisiensi total terhadap putaran

turbin pada berbagai sudut kemiringan nosel

(150, 20

0, 25

0), dan pada tekanan (head) 30

meter serta debit 1,5398 ltr/s dapat dilihat

seperti pada gambar 10 dan gambar 11,

berikut :

Gambar 10. hubungan antara efisiensi total

dan putaran turbin

Pada gambar 10, menunjukkan grafik

hubungan antara putaran turbin dengan

efisiensi total (ηs). Terdapat 3 kurva yang

membedakan sudut nosel 150, 20

0, dan 25

0

dengan head 30 meter. Ketiga kurva

memiliki kecenderungan yang sama yaitu

efisiensi total meningkat dengan

berkurangnya putaran turbin hingga

mencapai titik puncak, yang kemudian turun

bersamaan dengan menurunnya putaran

turbin.

Pada gambar 10 terlihat bahwa

kurva efisiensi pada sudut kemiringan nosel

sebesar 150 dan 20

0 terlihat hampir berimpit,

ini menunjukkan bahwa pada kedua harga

sudut kemiringan nosel tersebut tidak begitu

berpengaruh terhadap harga efisiensi total.

Berdasarkan kurva pada gambar

diatas dapat diketahui bahwa turbin Turgo

dengan sudut tumbukan nosel tertentu pada

debit konstan dan head tertentu pula akan

menghasilkan efisiensi sistem yang berbeda.

Pada gambar 10 yaitu pada sudut tumbukan

nosel 150 dengan head 30 meter dan dengan

debit aktual 1,5398 ltr/s menghasilkan

efisiensi sebesar 31,14% pada putaran 980

rpm. sedangkan pada sudut tumbukan nosel

200 dihasilkan efisiensi total optimal sebesar

31,87 %, dengan putaran 1000 rpm, dan

pada sudut tumbukan nosel 250 dihasilkan

efisiensi total sebesar 24,67%, pada putaran

1000 rpm. Dari kurva tersebut dapat terlihat

bahwa efisiensi tertinggi yang dapat dicapai

oleh turbin terjadi pada posisi kemiringan

sudut nosel sebesar 200.

Gambar 11. Hubungan antara Pm dan

putarana turbin

Kajian Eksperimental Turbin Turgo Dengan Variasi Sudut Nosel (Bono)

19

Pada gambar 11 menunjukkan

grafik hubungan antara putaran turbin

dengan daya mekanik (Pm). Terdapat 3 kurva

yang membedakan antara sudut nosel 150,

200, dan 25

0 dengan head 30 meter yaitu

seperti yang terlihat pada ketiga grafik

diatas. Ketiga kurva memiliki

kecenderungan yang sama yaitu daya

mekanik meningkat dengan berkurangnya

putaran turbin hingga mencapai titik puncak,

yang kemudian turun bersamaan dengan

menurunnya putaran turbin.

Berdasarkan kurva pada gambar

diatas dapat diketahui bahwa turbin Turgo

dengan head tertentu pada debit konstan dan

variasi sudut tumbukan nosel tertentu pula

akan menghasilkan daya mekanik yang

berbeda. Pada gambar 11 yaitu pada head 30

meter dan dengan debit aktual 1,5398 ltr/s,

pada sudut tumbukan nosel 150

menghasilkan daya mekanik sebesar 259,10

Watt pada putaran 980 rpm, sedangkan pada

sudut tumbukan nosel 200 dihasilkan daya

mekanik optimal sebesar 282,01 Watt,

dengan putaran 1000 rpm, dan pada sudut

tumbukan nosel 250 dihasilkan daya

mekanik optimal sebesar 261,30 Watt, pada

putaran 1000 rpm. Dari kurva tersebut dapat

terlihat bahwa daya mekanik tertinggi yang

dapat dicapai oleh turbin terjadi pada posisi

kemiringan sudut nosel sebesar 200

4. KESIMPULAN

Dari hasil pengujian dan analisa, maka dapat

diambil kesimpulan sebagai berikut :

a. Turbin Turgo dapat beroperasi secara

optimum pada sudut kemiringan nosel

200.

b. Daya mekanik (Pm) tertinggi yang dapat

dicapai adalah sebesar 282,01 watt,

terjadi pada sudut kemiringan nosel

sebesar 200. dan pada putaran 1000 rpm.

c. Efisiensi total (s) tertinggi yang dapat

dicapai adalah sebesar 31,87 % terjadi

pada sudut kemiringan nosel sebesar 200

dan pada putaran turbin 1000 rpm.

DAFTAR PUSTAKA

Anagnostopoulos, J.S., dan Papantonis, D.E.,

2008, Flow Modeling and Runner

Design Optimization in Turgo Water

Turbines , International Journal of

Applied Science, Engineering and

Technology 4;3

Kvicinsky S, JL Kueny, F Avellan, E

Parkinson. 2002. Experimental and

Numerical Analysis of Free surface

flows in A Rotating Bucket.

Proceedings of the xxist IAHR

Symposium on Hydraulic Machinery

and Systems. Lausanne

Maher P and N Smith. 2001. Pico Hydro for

Village Power. Practical Manual for

Schemes Up To 5 kw in Hilly Areas.

Edition 2

Matthew Gass,2002, Modification Of

Nozzles For The Improvement Of

Efficiency Of Pelton Type Turbines,

Hetch Hetchy Water and Power,

Moccasin Ca USA.