MODEL SUDU DAN NOZEL PADA TURBIN PELTON

SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO

Ariyanto, Abdul Muchlis, Ahcmad Fauzan

Abdul Rahman A. R, Eko Aprianto N

Guru pembimbing Dr.Sri Poernomo Sari

Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri

Universitas Gunadarma, Jakarta

Email : abdul.muchlis07@gmail.com

Abstrak

            Sumber energi yang dapat diperbaharukan di Indonesia menurut sumber asean energy salah satunya adalah mikrohidro yang memanfaatkan air sebagai sumber energi dari suatu turbin. Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozel. Air keluar nozel yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse) sehingga roda turbin akan berputar. Turbin Pelton merupakan turbin impuls yang terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari  satu atau lebih alat yang disebut nozel. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien dan sesuai digunakan untuk head tinggi dan debit aliran yang kecil. Turbin Pelton mempunyai beberapa keuntungan antara lain efisisensi turbin yang relatif stabil pada berbagai perubahan debit aliran. Tujuan penulisan artikel ilmiah ini adalah untuk mengetahui dan memberikan wawasan tentang model sudu dan nozel pada Turbin Pelton sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTM). Model sudu dan nozel yang bervariasi  akan memberi impuls yang baik untuk menghasilkan putaran turbin. Karakteristik model sudu turbin pada variasi jarak nozel dapat menghasilkan efisiensi yang tinggi.

Kata kunci : Tenaga Mikrohidro, Turbin Pelton, Sudu, Nozel, Putaran, Efisiensi

 1.      Pendahuluan

Pada saat ini dunia sedang mengalami krisis energi dan khususnya Indonesia mengalami krisis energi listrik secara nasional. Listrik merupakan salah satu kebutuhan hidup manusia yang primer, sehingga diperlukan suatu instalasi pembangkit tenaga listrik yang efisien. Berbagai macam jenis pembangkit listrik telah banyak dibuat mulai dari turbin gas, turbin uap, turbin air, kincir air dan solar cell dengan berbagai keuntungan dan kelebihan. Pemanfaatan energi tenaga air (hydropower) di Indonesia juga sangat minim. Turbin pelton merupakan salah satu jenis turbin air yang prinsip kerjanya memanfaatkan energi potensial air sebagai energi listrik tenaga air. Prinsip kerja turbin pelton adalah memanfaatkan daya fluida dari air untuk menghasilkan daya poros.

Pengembangan sumber energi yang dapat diperbarahukan semakin meningkat sebagai antisipasi makin berkurangnya sumber energi yang berasal dari fosil seperti minyak bumi dan batubara. Turbin air berperan untuk mengubah energi air menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Turbin dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih cepat dan dapat memanfaatkan head yang lebih tinggi. Putaran poros turbin ini akan diubah oleh generator menjadi tenaga listrik. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan.

Turbin Pelton pertama kali ditemukan oleh insinyur dari Amerika yaitu Lester A. Pelton pada tahun1880. Turbin ini dioprasikan pada head sampai 1800 m, turbin ini relative membutuh kan jumlah air yang lebih sedikit dan biasanya porosnya dalam posisi mendatar. Tujuan penulisan artikel ilmiah ini adalah untuk mengetahui dan memberikan wawasan tentang model sudu dan nozel pada Turbin Pelton sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTM).

 Gambar 1. Diagram kebutuhan tenaga potensial air di dunia

Gambar 2. Diagram kebutuhan tenaga potensial air di Asia Tenggara

Kebutuhan tenaga potensial air di Indonesia 401,646 GWh/tahun (sekitar 74.976 MW).

Gambar 3. Diagram kebutuhan tenaga potensial air di Indonesia

  

 Tabel 1. Sumber Energi Terbarukan di Indonesia

 

2.      Klasifikasi Turbin Air

1.      Berdasarkan gerak air pada sudu yang bergerak

a.       Turbin Impuls

Energi tekanan seluruhnya diubah menjadi energy kinetik, air menumbuk sudu pada tekanan atmosfer sehingga tidak ada perubahan  tekanan antara inlet dan outlet. Turbin ini juga disebut sebagai “Velocity Turbine”

b.      Turbin Reaksi

Bekerja berdasarkan Tekanan pada inlet dan otlet dari turbin “pressure turbine” energy kinetic dan tekanan memutar sudu turbin.

           

2.      Berdasarkan nama penemu

Pelton wheel, Turgo, Girard, Banki adalah turbin impuls sedangkan Francis, Kaplan dan Thomson adalah turbin reaksi.

3.      Berdasarkan head dan jumlah air yang tersedia

a.       High head ( > 200 m) jumlah air sedikit, contohnya turbin impuls (turbin Pelton)

b.      Medium Head (30-200 m) jumlah air sedang, contohnya turbin reaksi (turbin Francis)

c.       Low Head (< 30 m) jumlah air besar, contohnya turbin reaksi (turbin Kaplan, turbin propeller)

Gambar 4. Klasifikasi Turbin Air

Gambar 5. Head pada Turbin Pelton

Gambar 6. Grafik perbandingan efisiensi turbin air

3.      Komponen utama Turbin Pelton

Pada Turbin Pelton, air mengalir dalam “penstock”(pipa pesat), sampai ujung bawah masuk nosel (energy kinetic naik), keluar mengenaik sudu-sudu ( yang terpasang pada runner). Pengaturan jumlah air dapat dengan regulator / governor (untuk instalasi yang besar) atau denga tangan / manual (instalasi yang kecil).

1.      Nozel, energi tekanan dari air pada reservoir sewaktu melewati penstock sebagian dirubah menjadi energi kinetic dan energy kinetik ini makin lama meningkat oleh karena nozzle pada tekana atmosfer pada casing. Ketika air menabrak buckets maka dihasilkan energy mekanik . untuk turbin degan kapasitas yang kecil menggunakan single jet. Dan untuk turbin yang memproduksi tenaga besar, jumlah jet harus lebih banyak.

2.      Buckets(sudu), buckets dari pelton wheel mempunyai bentuk double hemispherical cup. Pancaran dari air yang datang mengenai buckets bagian tengah yang ada pemisahnya terbagi menjadi dua bagian dan setelah hancur pada permukaan bagian dalam bucket berubah 160 sampai 170 lalu meninggalkan bucket. Bucket ini terbuat dari cast iron (head rendah), cast steel atau dari stainless steel (head tinggi). Permukaan bagian dalam dip les sedemikian rupa untuk menghindari gesekan yang besar.

3.      Casing. Berfungsi untuk menghindari deburan air, serta untuk mengarahkan air ke tail race dan sebagai keamanan.

4.      Rem hidrolik. Untuk menghentikan putaran turbin, walaupun pancaran air telah berhenti, runner tetap akan berputar untuk waktu yang lama. Untuk menghentikannya diperlukan rem nozle yang kecil, dimana arah air dari rem ini berlawanan arah dengan putaran runner.

Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk  sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah-tengah sudu dan pancaran air tersebut akan berbelok ke kedua arah sehinga bisa membalikkan pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping. Untuk turbin dengan daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi lewat beberapa nozel. Dengan demikian diameter pancaran air bisa diperkecil dan mangkok sudu lebih kecil.

Turbin Pelton merupakan salah satu jenis turbin air yang prinsip kerjanya memanfaatkan energi potensial air menjadi energi listrik tenaga air (hydropower). Prinsip kerja turbin pelton adalah mengkonversi daya fluida dari air menjadi daya poros untuk digunakan memutar generator listrik. Air yang berada pada bak penampung dihisap oleh pompa dimana pompa berfungsi untuk menghisap dan memompa air untuk dialirkan ke sudu turbin. Namun aliran air tidak langsung mengarah ke sudu turbin melainkan harus melewati pipa-pipa saluran yang telah diberi katup buka tutup sehingga laju aliran air dapat diatur sesuai dengan yang diinginkan. Kemudian katup-katup tersebut terhubung dengan saluran nozel dimana nozel berfungsi sebagai pemancar air yang dipancarkan langsung ke arah sudu turbin sehingga sudu turbin berputar. Pada sudu-sudu turbin, energi aliran air diubah menjadi energi mekanik yaitu putaran roda turbin. Apabila roda turbin dihubungkan dengan poros generator listik, maka energi mekanik putaran roda turbin diubah menjadi energi listrik pada generator. Kemudian air yang telah digunakan untuk memutar sudu turbin jatuh kedalam bak penampung untuk kembali ke tahap awal maka terjadilah sirkulasi.

Energi potensial air disemprotkan oleh nozel ke sudu untuk dirubah menjadi energi mekanik yang digunakan untuk memutar poros generator. Nozel merupakan mekanisme pancaran yang berbentuk melengkung yang mengarahkan air sesuai dengan arah aliran yang direncanakan dan mengatur aliran air. Fungsi utama nozel adalah untuk mengubah tekanan air menjadi suatu kecepatan aliran yang digunakan untuk memutar runner. Bentuk nozel sangat mempengaruhi performa turbin. Perancangan sebuah nozel turbin pelton dimulai dari menentukan ukuran runner dan sudu dengan menggunakan data yang telah ada setelah itu melakukan perhitungan diameter ujung nozel, kecepatan aliran air pada ujung nozel, panjang ujung nozel. Bahan yang digunakan untuk nozel turbin pelton ini adalah menggunakan paduan Aluminium. Dari tahap-tahap yang telah direncanakan tersebut, maka didapatkan ukuran nozel untuk turbin air pelton yang sesuai dengan yang diharapkan.

Gambar 7. Nozel Turbin

Ukuran nozel yang sesuai dapat memutar sudu lebih baik sehingga dapat meningkatkan efesiensi turbin. Dengan meningkatkan efesiensi turbin maka dapat meningkatkan energi yang dihasilkan sehingga turbin air mampu menghasilkan kerja yang optimal dengan menggunakan energi yang minimal.

Gambar 8. Runner Turbin Pelton

Nozel mempunyai beberapa fungsi yaitu mengarahkan pancaran air ke sudu turbin, mengubah tekanan menjadi energi kinetik dan mengatur kapasitas air yang masuk turbin. Sudu turbin merupakan sarana untuk merubah energi air menjadi energi mekanik berupa torsi pada poros sudu dimana aliran air yang disemprotkan oleh nozel ke arah sudu mengakibatkan daun-daun sudu terdorong dan berputar. Aliran air  yang diarahkan langsung menuju sudu-sudu melalui pengarah atau nozel ini juga menghasilkan daya pada sirip. Selama sudu berputar, gaya bekerja melalui suatu jarak, sehingga menghasilkan kerja. Dalam proses ini energi ditransfer dari aliran air ke turbin.

            Sudu dibentuk  sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah-tengah sudu dan pancaran air tersebut akan berbelok ke kedua arah sehinga bisa membalikkan pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping. Untuk turbin dengan daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi lewat beberapa nozel. Dengan demikian diameter pancaran air bisa diperkecil dan mangkok sudu lebih kecil seperti pada gambar 4 di atas. Desain ini dibuat untuk mempermudah dalam proses perakitan sehingga dapat diketahui langkah-langkah yang harus dilakukan.

4.         Teori

Ada beberapa faktor yang mempengaruhi aliran fluida, yaitu :

a.      Laju Aliran Volume

Laju aliran volume disebut juga debit aliran (Q) yaitu jumlah volume aliran per satuan waktu. Debit aliran dapat dituliskan pada persamaan sebagai berikut :

                                                Q = A.V                                                                   (1)

Dimana :

v = Kecepatan aliran (m/s)

A = Luas penampang pipa (m)

Q = Debit aliran  (m^³/s)

Selain persamaan di atas dapat juga menggunakan persamaaan sebagai berikut:

                                                Q = V/t                                                                     (2)

Dimana :

V  = Volume aliran (m³)

Q = Debit aliran  (m^³/s)

 t = waktu aliran (s)

                                      u = Q/A                                                         (3)

Dimana :

  = Kecepatan atau laju aliran (m/s)

Q = Debit aliran (m³/s)

A = Luas penampang ( m²)

b.      Bilangan Reynolds

Bilangan Reynolds didapat dengan menggunakan persamaan (4) dimana nilai dari Bilangan Reynolds (Re) dapat dihitung bila mempunyai nilai-nilai dari : kecepatan aliran (v), massa jenis (ρ), diameter dalam pipa (d), viskositas dinamik (m) atau viskositas kinematik (u).

                                    (4)

                                                                                 

c.       Daya

Tenaga yang didapat dari aliran air adalah,

  P = η ´ ρ ´ g ´ h ´ i                                                                                             (5)

Dimana

 ·          P          =  Daya (J/s or watts)

·           η          =  Efisiensi turbin

·           ρ          =  Massa jenis air (kg/m³)

·           g          =  Percepatan gravitasi (9.81 m/s²)

·           h          =  Head (m).

 Untuk air tenang, ada perbedaan berat antara permukaan masuk   dan  keluar. Perpindahan air memerlukan komponen tambahan untuk ditambahkan untuk mendapatkan aliran energi kinetik. Total head dikalikan tekanan head ditambah kecepatan head.

·           i           =  Aliran rata-rata (m³/s)

d. Kecepatan Spesifik

Kecepatan spesifik (n_s), menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak berhubungan dengan ukurannya. Hal ini menyebabkan desain turbin baru yang diubah skalanya dari desain yang sudah ada dengan performa yang sudah diketahui. Kecepatan spesifik merupakan kriteria utama yang menunjukkan pemilihan jenis turbin yang tepat berdasarkan karakteristik sumber air. Kecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan sebagai kecepatan ideal, persamaan geometris turbin, yang menghasilkan satu satuan daya tiap satu satuan head. Kecepatan spesifik tubin diberikan oleh perusahaan (dengan penilaian yang lainnya) dan dan selalu dapat diartikan sebagai titik efisiensi maksimum. Perhitungan tepat ini menghasilkan performa turbin dalam jangkauan head dan debit tertentu.

 

                                                          , n = rpm

 

                                                          , Ω = kecepatan sudut (radian/detik)

Gambar 9. Perbandingan Turbine Shape vs Spesific Speed

Kecepatan spesifik juga merupakan titik awal dari analisis desain dari sebuah turbin baru. Sekali kecepatan spesifik yang diinginkan diketahui, dimensi dasar dari bagian-bagian turbin dapat dihitung dengan mudah. Hukum Affinity mengijinkan keluaran turbin dapat diperkirakan berdasarkan dari test permodelan. Hukum Affinity didapatkan dari penurunan yang membutuhkan persamaan antara test permodelan dan penggunaanya. Debit yang melalui turbin dikendalikan dengan katub yang besar atau pintu gerbang yang disusun diluar sekeliling pengarah turbin. Perubahan head dan debit dapat dilakukan dengan variasi bukaan pintu, akan menghasilkan diagram yang menunjukkan efisiensi turbin dengan kondisi yang berubah-ubah.

5.         Analisa

Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head adalah beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar dari kincir air/turbin air. Laju aliran volume disebut juga debit aliran (Q) yaitu jumlah volume aliran per satuan waktu. Debit aliran dapat dituliskan dari persamaan (2) dimana dapat didefinisikan besarnya volume (V) persatuan waktu (t) sedangkan untuk kecepatan laju aliran dapat didefinisikan besarnya debit (Q) aliran yang mengalir persatuan luas penampang (A) seperti pada persamaan (3).

Debit aliran fluida didapatkan dari volume fluida yang diambil selama waktu tertentu. Waktu diukur dengan menggunakan stopwatch dalam satuan sekon (s) dan volume didapat menggunakan gelas ukur dari percobaan dalam satuan ml.

            Semakin besar bukaan katup maka debit yang dihasilkan lebih besar, atau semakin besar bukaan katup maka volume fluida akan semakin tinggi per satuan waktu. Sementara untuk kecepatan aliran yang telah didapatkan dari pengolahan data dapat disimpulkan bahwa semakin besar bukaan katup, maka kecepatan aliran fluida akan cenderung meningkat. Kecepatan yang telah didapatkan akan mempengaruhi Bilangan Reynolds kerena kecepatan aliran merupakan fungsi pembilang dalam Bilangan Reynolds, sehingga semakin cepat aliran fluida yang mengalir di dalam pipa pengujian (pipa bulat) maka nilai bilangan Reynolds akan cenderung meningkat atau menunjukan kecenderungan turbulen.

Penghitungan Bilangan Reynolds

Bilangan Reynolds (Re) dapat dihitung bila mempunyai nilai-nilai dari : kecepatan aliran (v), massa jenis (ρ), diameter dalam pipa (d), viskositas dinamik (m) atau viskositas kinematik (u).

Nilai viskositas kinematis (u) dan dinamis (m) untuk air murni didapat dari fungsi temperatur fluida pada tabel sifat fisika air murni. Dari tabel 2 diatas untuk diameter pipa yang sama dapat dilihat Bilangan Reynolds cenderung meningkat karena dipengaruhi peningkatan kecepatan aliran fluida. Hal ini menunjukan semakin terjadi peningkatan kecepatan aliran fluida, maka aliran dalam pipa akan cenderung turbulen. Sedangkan semakin terjadi penurunan kecepatan aliran fluida, aliran tersebut akan cenderung laminer. Dalam pengujian ini kecepatan aliran (v) yang berfungsi sebagai pembilang di dalam Bilangan Reynolds sangat mempengaruhi karakteristik dari aliran fluida yang mengalir di dalam pipa pengujian. Selain itu transisi dari aliran laminer ke aliran turbulen tentunya juga merupakan fungsi dari bilangan Reynolds .

            Jarak tembak antara nozel terhadap daun sudu juga dapat mempengaruhi kecepatan putar sudu turbin. Penempatan titik jarak yang tepat antara nozel dengan daun sudu maka dapat meningkatkan efisiensi turbin sehingga didapatkan putaran yang maksimal. Dengan mengetahui titik optimum dari jarak nozel terhadap daun sudu dapat meningkatkan putaran runner menjadi lebih cepat karena titik jatuhnya pancaran nozel tepat mengenai daun sudu dan tidak terpecah karena salah satu fungsi utama nozel adalah dapat mengarahkan pancaran aliran air tepat mengenai daun sudu.

Pengaruh jarak nozel terhadap sudu turbin (l)

   Gambar 10. Skema Jarak Antara Nozel Terhadap Runner

Perbedaan jarak antara nozel dengan daun sudu dapat mempengaruhi kecepatan putar sudu turbin. Jarak antara runner dengan nozel yang terlalu dekat dapat memecah aliran sehingga pancaran air tidak tepat atau tidak fokus. Selain itu jarak antara nozel terhadap runner menentukan titik jatuhnya aliran air, karena itu nozel harus memiliki jarak yang tepat agar sudu turbin dapat menerima impuls dengan baik.

6.         Kesimpulan

Dari hasil pengujian dan pengamatan yang telah dilakukan pada penelitian ini maka dapat disimpulkan sebagai berikut :

·         Diameter nozel yang lebih besar menghasilkan volume air yang lebih banyak dibandingkan nozel dengan diameter yang lebih kecil. Sehingga dapat disimpulkan nozel yang berdiameter lebih besar dapat menghasilkan volume air yang besar.

·         Perbedaan putaran sudu dimana nozel yang memiliki diameter lebih besar dapat memutarkan sudu lebih cepat dibandingkan dengan nozel yang memiliki ukuran diameter lebih kecil yang dapat memutarkan sudu pada bukaan katup yang sama.

·         Dari data pengujian yang telah diolah untuk mencari debit aliran dan kecepatan aliran dapat dilihat bahwa semakin besar bukaan katup maka debit yang dihasilkan lebih besar, atau dengan kata lain semakin besar bukaan katup maka volume fluida akan semakin tinggi per satuan waktu. Dalam pengujian ini ada beberapa faktor yang mempengaruhi hasil pengambilan data untuk menentukan debit aliran seperti, ketepatan pengambilan volume dengan gelas ukur agar dalam proses penampungan tidak ada air yang tumpah dan ketepatan pengambilan waktu penampungan.

·         Sementara untuk kecepatan aliran yang telah didapatkan dari pengolahan data dapat disimpulkan bahwa semakin besar bukaan katup, maka kecepatan aliran fluida akan cenderung meningkat. Kecepatan yang telah didapatkan akan mempengaruhi Bilangan Reynolds kerena kecepatan aliran merupakan fungsi pembilang dalam Bilangan Reynolds, sehingga semakin cepat aliran fluida yang mengalir di dalam pipa pengujian (pipa bulat) maka nilai bilangan Reynolds akan cenderung meningkat atau menunjukan kecenderungan turbulen pada saat Bilangan Re mencapai 4000 keatas.

·         Bilangan Reynolds cenderung meningkat karena dipengaruhi peningkatan kecepatan aliran fluida. Hal ini menunjukan semakin terjadi peningkatan kecepatan aliran fluida, maka aliran dalam pipa akan cenderung turbulen. Dalam pengujian ini kecepatan aliran (v) di dalam Bilangan Reynolds sangat mempengaruhi karakteristik dari aliran fluida yang mengalir di dalam pipa pengujian.

DAFTAR PUSTAKA

[1].       Reuben M. Olso, Steven j. Wraight. Essentials of Engineering Fluid Mechanics. Harper & Row Publisher , inc, 1990

[2].       Victor I, Streeter, Fluid Mechanics. McGraw-Hill, Inc. 1985.

[3].       Fritz Dietzel, Dakso Sriyono, Turbin Pompa dan Kompresor, Penerbit

Erlangga, Jakarta, 2006

[4]        EBARA Hatakeyama Memorial Fund, Ebara Corporation,Tokyo, Japan

[5]        David G. Ullman, The Mechanical design Process, Mc Graw hill international Editions, 1992

[6]        Robert D. Blevins, Applied Fluid Dynamics Handbook, 1984