Eksergi Jurnal Teknik Energi Vol 8 No. 1 Januari 2012; 20- 24

20

PENGARUH SUDUT CHORD TERHADAP EFISIENSI

TURBIN ZANETTE

Gatot Suwoto(1), Syaiful(2), S.A. Widiyanto(2)

1).Program Studi Teknik Konversi Energi Politeknik Negeri Semarang 1) Mahasiswa Magister Teknik Mesin Pasca Sarjana UNDIP Semarang

2).Program Studi Magister Teknik Mesin, Program Pascasarjana Universitas Diponegoro Semarang

Jl. Prof. H. Sudarto, SH, Tembalang, Semarang 50275

Telp. (024) 7473417, 7478727, 7499585, Fax.(024) 7472396

Abstrak

Penelitian ini untuk mengetahui pengaruh sudut chord terhadap efisiensi turbin Zanette.. Metodologi

penelitian meliputi: merancang bangun turbin Zanette dengan variasi sudut chord sudu, melakukan uji

karakteristik turbin Zanette berbagai variasi sudut chord Dari uji karakteristik didapatkan hasil sebagai

berikut : turbin dengan sudut chord 0° memiliki efisiensi 19,337 % pada putaran 150,8 rpm dan tsr 0,88,

turbin dengan sudut chord 5° memiliki efisiensi14,45 % pada putaran 145,4 dan tsr 0,85, turbin dengan

sudut chord 10° memiliki efisiensi 13,41 % pada putaran 145,5 rpm dan tsr 0,85. Turbin dengan sudut

chord 0° memiliki efisiensi tertinggi yaitu 19,337 %, lebih tinggi 4,887 % dibandingkan turbin dengan

sudut chord 5° dan lebih tinggi 5,927 % dibandingkan turbin dengan sudut chord 10° ..

Kata kunci :ZANETTE, variasi sudut chord

1. PENDAHULUAN

Gejolak harga minyak dunia memicu

kenaikan subsidi BBM nasional, termasuk

subsidi untuk listrik, karena kontribusi 60%

biaya produksi listrik nasional berasal dari

BBM. Sejak tahun 2006 pemerintah

menerbitkan kebijakan pengembangan dan

pemanfaatan energi terbarukan. Saat ini

penelitian diarahkan pada pemanfaatan energi

terbarukan sebagai alternatif dari energi

konvensional (energi bahan bakar). Salah

satunya adalah bagaimana memanfaatkan

energi kinetik arus laut dan sungai (Charlier

RH, 2003; Bahaj AS, Myers LE. 2003).

Salah satu turbin yang bisa digunakan adalah

Turbin Air Aliran Silang (Cross Flow Water

Turbine CFWT),

Model-model CFWT yang ada, yaitu

turbin Darrieus, Gorlov, Achard dan Maitre,

serta Zanette, memiliki beberapa kesamaan

antara lain bentuk penampang sudu airfoil

atau hydrofoil, poros tegak dan jumlah sudu 3

dengan sudut chord 0°. Sedang perbedaan

terletak pada bentuk sudu, dimana sudu

turbin Darrieus berbentuk lurus, pada Gorlov

sudu berbentuk helik, pada Achard dan

Maitre sudu berbentuk delta, dan pada

Zanette sudu berbentuk delta trapezoidal.

Mengacu pada model-model CFWT di

atas, penelitian ini bertujuann untuk mengkaji

secara eksperimental pengaruh sudut chord

terhadap unjuk kerja turbin Zanette.

1.1. Konsep Turbin Aliran Silang (CFWT)

Turbin air aliran silang adalah suatu

alat konversi energi yang berfungsi

mengubah energi hidrolik dari aliran arus

sungai atau arus laut menjadi energi mekanik.

CFWT dikembangkan dari turbin Darrieus

(1931) yang digunakan untuk angin. Desain

turbin Darrieus dapat dilihat pada Gambar 1a.

Sudu turbin Darrieus berjumlah 3 dan

berpenampang airfoil yang dipasang tegak

sejajar dengan poros turbin. Desain turbin

Darrieus dikembangkan untuk fluida air oleh

Gorlov (1997). Perbedaan turbin Gorlov

dengan Darrieus terletak pada arah posisi

sudu. Jika sudu Darrieus memiliki arah posisi

tegak, pada turbin Gorlov memiliki arah

posisi helik (Gambar 1b). Turbin-turbin

tersebut kemudian dikembangkan dalam

bentuk yang berbeda oleh Achard dan Maitre

(2004), seperti pada gambar 1c. Sudu turbin

Pengaruh sudut chord terhadap efisiensi turbin Zanette (Gatot S, dkk)

21

Achard dan Maitre di kembangkan dalam

bentuk delta (delta shaped blade).

Gambar 1 Tiga konsep yang berbeda

model-model CFWT: (a) Darrieus 1931, (b)

Gorlov 1997, dan (c) (Achard dan Maitre 2004).

Turbin Zanette merupakan

pengembangan dari Turbin Achard dan

Maitre terdiri dari sudu-sudu delta, terpasang

pada lengan yang terhubung dengan sumbu

rotasi. Turbin Achard dan Maitre mempunyai

profil penampang dengan luasan konstan.

Geometri sudu memiliki ujung bebas,

sehingga dapat dilengkapi dengan sistem

yang membatasi timbulnya gaya hambat

terhadap sudu seperti sayap atau cincin.

Dibandingkan dengan bentuk helik Gorlov,

Kelebihan utama turbin Achard dan Maitre

terletak pada pembebanan hidrodinamik

aksial yang setimbang yang terjadi pada sudu

pada setiap putarannya. Berbeda dengan

sudu-sudu lurus Darius, dimana aliran tidak

bisa secara lengkap melewati sudu, Beban

siklik yang sangat halus dapat mereduksi

fenomena fatik pada sudu dan meningkatkan

umur sudu tersebut. Kelebihan lain sudu

helik dan delta adalah pada self-starting tidak

diperlukan peralatan tambahan.

Turbin dengan sudu-sudu trapesoidal

yang memiliki variasi luas penampang

merupakan desain turbin terbaru yang

dikembangkan oleh J. Zanette dkk (2010).

Turbin Zanette merupakan turbin Achard dan

Maitre, yaitu sama-sama memiliki bentuk

sudu delta. Perbedaannya terletak pada luas

penampang sudu yang bervariasi, sehingga

separoh sudu Zanette berbentuk trapesoidal

dan secara utuh sudu memiliki desain seperti

ekor ikan paus. Bentuk sudu turbin Zanette

dapat dilihat pada gambar 2.4. Geometri sudu

didefinisikan sebagai proyeksi sebuah sayap

trapesoid terhadap bidang umum silinder

yang berhubungan dengan diameter turbin.

Lengan support sudu terletak pada bidang

simetri turbin yang juga memiliki profil

penampang (bidang S Gambar 2.). Profil

sudu dan lengan support diadopsi dari

NACA0018.

Gambar 2. Blade trapezoidal baru CFWT: (a) Turbine, (b) Tampilan top blade,

(c) Pandangan perspective blade. (J. Zanette, 2009)

Eksergi Jurnal Teknik Energi Vol 8 No. 1 Januari 2012; 20- 24

22

Antheaume, dkk. (2008) mengemukakan

bahwa turbin Darrius yang diaplikasikan

sebagai Cross Flow Water Turbin

mempunyai efisiensi sebesar 40,5 %

sedangkan jika diaplikasikan sebagai Axial

Flow Turbine efisiensinya 34,85 % sehingga

CFWT lebih efisien 6% dibandingkan

AFWT.

Georgescu, dkk.(2007),

mengemukakan bahwa aplikasi turbin

Achard pada wind tunnel dengan

memanfaatkan kecepatan aliran angin dengan

aplikasi turbin Achard pada aliran air

menunjukkan kinerja yang hampir sama

sehingga ekspetasi untuk menerapkan hukum

similaritas dalam konsep pengembangan

turbin angin dapat diaplikasikan pada system

konversi energi arus air.

Lebih lanjut Georgescu, dkk.,

(2007) menggunakan sofware Comsol

Multiphysics 2D Flow melakukan simulasi

turbin Achard dengan memodelkan blade

turbin menggunakan profil NACA 4518

hasilnya koefisien drag dan koefisien lift

tidak ada perbedaan dengan profil NACA

0018. Tidak ada perbedaan-perbedaan yang

penting antara Nilai-nilai koefisien-koefisien

hambat dan lift baik bersifat percobaan dan

yang di hitung serta melalui simulasi.

1.2. Performansi turbin air.

Daya yang tersedia pada aliran air (P)

Daya yang tersedia pada aliran mengacu pada

persamaan dibawah ini:

P =

A V

3....( 1 )

dimana adalah masa jenis[ kg/m3]; V

adalah kecepatan aliran air [m / s], A adalah

luas sapuan air [ m2 ]

Tip Speed Ratio (λ)

Tip speed ratio adalah perbandingan

antara kecepatan tangensial sudu-sudu turbin

dengan kecepatan arus aliran air yang

menumbuk sudu- sudu turbin.

......( 2 )

dimana D adalah diameter sudu-sudu

(runner) (m); n adalah Kecepatan putaran

sudu-sudu (rpm), V adalah Kecepatan aliran

air (m/s)

Daya Output turbin (Po)

Daya turbin juga dapat dihitung dengan

mengukur torsi dan putaran yang bekerja

pada poros turbin, dapat dirumuskan (El

Wakil, 1987) :

, Watt........( 3 )

dimana Po adalah daya yang dihasilkan turbin

(Watt), T adalah Torsi (Nm), n adalah

Kecepatan putaran (rpm)

Efisiensi Total Turbin (ηt)

Efisiensi total turbin adalah

perbandingan daya yang dihasilkan pada

poros turbin dengan daya masukan yang

diberikan oleh aliran air penggerak turbin.

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

dimana adalah efisiensi total turbin,

adalah Jumlah putaran per menit (rpm),

adalah Torsi pada poros turbin (Nm),

adalah Massa jenis air (kg/m3); V adalah

Kecepatan aliran air (m/s); A adalah Luas

sapuan air (m3/s)

2. METODE PENELITIAN

Desain sudu turbin dibuat

menyesuaikan desain sudu turbin Zanette

[2010]. Sudu dibuat dari bahan alumunium

jumlah sudu 3, sudut divariasikan yaitu 0°, 5°

dan 10°. Ukuran Turbin Zanette yang dibuat

dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :

Radius Turbin, R = 60 mm; Tinggi Turbin, H

= 125 mm

Upper Chord Length, Cu = 15,3 mm, Lower

one, C1= 30,51 mm

Pengaruh sudut chord terhadap efisiensi turbin Zanette (Gatot S, dkk)

23

Instalasi Pengujian

Gambar 3. Instalasi pengujian,

komponen utama (a) pompa ; (b)Rangka;

(c)bak air ; (d) pipa instalasi ; (e) pipa bypass

; (f) orifice ; (g) rem cakram ; (h) rumah

turbin ; (i) turbin

Penampang atas rumah turbin pada

saluaran air pengujian turbin (hidrodinamika)

dapat dilihat pada gambar 4.

Gambar 4 Pandangan atas rumah turbin

Pelaksanaan Pengujian

Uji yang dilakukan meliputi uji

karakteristik turbin yang dilakukan terhadap

runner turbin dengan jumlah sudu dengan

sudut chord divariasikan 0°, 5° dan 10°.Hasil

uji berupa grafik karakteristik masing-masing

runner turbin Zanete yang akan dikaji unjuk

kerjanya.

Parameter yang diukur dalam pengujian

adalah beda tinggi tekan cairan manometer

tabung U pada orificemeter, putaran dan torsi

poros turbin. Parameter yang ditentukan

adalah beda tinggi tekan cairan manometer

tabung U pada orificemeter dan merupakan

variabel dalam penelitian ini adalah beban

pada dinamometer prony brake divariasikan

hingga 8 kali, kemudian dengan beda tinggi

tekan cairan manometer tabung U pada

orificemeter yang berbeda dilakukan hal

yang sama untuk setiap runner sudu, dan

setiap variasi dilakukan pencatatan terhadap

parameter-parameter diatas. Hal diatas

dilakukan untuk jumlah sudu yang berbeda p.

Pengolahan dan Analisis data hasil

pengujian diolah untuk mendapatkan debit

aliran air, kecepatan aliran air pada

saluran,daya kinetik aliran air, daya poros

turbin, efisiensi turbin. Hasil pengolahan

kemudian dipajangkan dalam bentuk grafik

karakteristik turbin. Unjuk kerja masing-

masing turbin dibandingkan. Analisis akan

menghasilkan kesimpulan pada turbin air

dengan sudut chord tertentu yang

mempunyai unjuk kerja terbaik.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN Karakeristik efisiensi turbin Zanette dengan

variasi sudut chord 0°, 5° dan 10° dapat

dilihat pada gambar 5 dan 6. Ketiga kurva

dalam gambar 5 dan 6 memiliki tren yang

sama yaitu efisiensi akan meningkat dengan

meningkatnya putaran turbin hingga

mencapai titik maksimum pada putaran,

kemudian menurun dengan bertambahnya

putaran turbin. Efisiensi akan meningkat

dengan bertambahnya tip speed ratio turbin

hingga mencapai titik maksimum, kemudian

menurun dengan bertambahnya tsr.

Kurva-kurva hasil pengujian tersebut

telah memenuhi persamaan 1 s.d. 4 tentang

daya dan efisiensi turbin, dimana torsi yang

dihasilkan oleh interaksi aliran terhadap

sudu-sudu turbin mengakibatkan adanya

putaran turbin sehingga menghasilkan daya

mekanik turbin. Semakin besar torsi yang

dihasilkan oleh aliran semakin besar pula

putaran turbin. Hal ini berarti efisiensi turbin

berbanding lurus dengan kuadrat putaran.

Sehingga setiap kurva efisiensi selalu

memiliki puncak atau efisiensi maksimum

pada putaran tertentu.

Turbin tersebut diuji pada kecepatan air 1,07

m/s dan konstan, sehingga daya input turbin

adalah sama. Efisiensi maksimum dicapai

oleh masing- masing sudut chord adalah

19,337 % pada putaran 150,8 rpm dan tip

Turbin

Dinding

rumah

turbin Pengarah

Arah aliran air

Eksergi Jurnal Teknik Energi Vol 8 No. 1 Januari 2012; 20- 24

24

speed ratio 0,88 (sudut chord 0°), 14,45 %

pada putaran 145,4 rpm dan tip speed ratio

0,85 (sudut chord 5°) dan 13,41 % pada

putaran 145,5 dan tip speed ratio 0,85 (sudut

chord 10°) lihat gambar 5 dan 6.

Gambar 5. Karakteristik efisiensi turbin

Zanette berbagai variasi sudut chord

terhadap putaran turbin

Gambar 6. Karakteristik efisiensi turbin

Zanette berbagai variasi sudut chord terhadap

tip speed ratio turbin

4. KESIMPULAN

Berdasarkan hasil tersebut dapat

disimpulkan sudut chord sangat

mempengaruhi efisiensi turbin dengan sudut

chord 0° memiliki efisiensi tertinggi yaitu

19,337 %, lebih tinggi 4,887 % dari turbin

dengan sudut chord 5° dan 5,927 % dari

turbin dengan sudut 10°

DAFTAR PUSTAKA

Achard J-L, Maitre T. Hydraulic Turbo-

machine, Applicant: INPG (FR),

French patent number: FR 04.50209,

2004.

Achard J-L, Imbault D, Tourabi A.

Turbomachine a` turbines

hydrauliques a` flux transverse a`

force globale de portance re´ duite,

Applicant: INPG (FR), French patent

number: FR 07.58511, 2007.

Antheaume S, Maître T, Achard J-L. 2007, A

Innovative Modelling Approach To

Investigate The Efficiency Of Cross

Flow Water Turbine Farms, 2nd

IAHR International Meeting of the

Workgroup on Cavitation and

Dynamic Problems in Hydraulic

Machinery and Systems Timisoara,

Romania

Charlier RH. A ‘‘sleeper’’ awakes= tidal

current power. Renewable and

Sustainable Energy Reviews

2003;7(6)=515–29.

Georgescu S-C, Georgescu A-M, Bernad SI,

R Susan-Resiga. 2008. 2D Numerical

Modelling Of The Unsteady Flow In

The Achard Turbines Mounted In

Hydropower Farms. IWM 2008

CONFERENCE. Pp. 55-66

J. Zanette, D. Imbault, A. Tourabi. 2010. A

design methodology for cross flow

water turbines. Renewable Energy 35.

pp. 997–1009

0

5

10

15

20

25

0 50 100 150 200 250 300 350

EFIS

IEN

SI (

%)

PUTARAN (RPM)

0 DERAJAT 5 DERAJAT 10 derajat

0

5

10

15

20

25

0,00 1,00 2,00

EFIS

IEN

SI (

%)

TIP SPEED RATIO (λ)

0 DERAJAT

5 DERAJAT

10 DERAJAT