KAJIAN EKSPERIMEN PENGARUH PENAMBAHAN SILINDER SIRKULAR TERHADAP KINERJA TURBIN AIR SAVONIUS
SUMBU VERTIKAL (STUDI KASUS PERUBAHAN JARAK KEDUA SILINDER SIRKULAR TERHADAP TEGAK LURUS
ARAH ALIRAN)
Muhammad Iqbal Nasrulloh 1*, Priyo Agus Setiawan, 2, Pranowo Sidi, 3
Program Studi D4 Teknik Permesinan Kapal, Jurusan Teknik Permesinan Kapal, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, Surabaya, Indonesia
Email: nasrulloh_iqbal@yahoo.co.id 1*; priyo.as@ppns.ac.id 2*; pransidi@ppns.ac.id 3*; Muhammad Iqbal Nasrulloh, nasrulloh_iqbal@yahoo.co.id
Abstract – Savonius water turbine is a type of vertical axis water turbine which has advantages such as being able to work on low fluid flow speeds and has a high starting torque. Savonius turbine can be applied to the flow of water flowing to produce mechanical energy from the kinetic energy of the water flow. The method used in this study is an experiment. The test model has a height 40 cm and diameter 40 cm. The model was tested in an open water channel with a cross section size 1100 mm and height 900 mm. Measurements are made at a current speed of 0.22 m/s by measuring turbine rotation and torque. This study uses variations in diameter ds/D = 0,2, ds/D = 0,3, ds/D = 0,4 and distance variations s/D=0,5, s/D=0,9, s/D=1,65. To improve the performance of the turbine, then added a barrier in the form of a circular cylinder with variations in diameter (d) 8 cm, 12 cm and 16 cm in front of blade advancing. This research was conducted using distance variations y/D = 0,7 and with x/D = 0,95. Turbine rotation measurement can be measured using a tachometer and torque can be measured using the brake dynamometer mechanism. The results obtained from this study are the use of barrier cylinders placed on the side of blade advancing proven to be effective in increasing the Savonius water turbine. It is marked on ds/D=0.4 and s/D=1.65 has increased torque efficiency by 50.01% compared to conventional water turbines without using a barrier cylinder, so is the value of the power coefficient increases by around 53.98%. In addition, the variation in s/D studied affected the performance of the Savonius water turbine. In the case of the fixed Reynolds number used in this study, it was found that the distance s/D=1.65 and for variations in cylinder ds/D=0.2 and ds/D=0.3 proved to be effective in increasing the Savonius water turbine used in this study. This is indicated by the peak value of the rotation, torque and the Coefficient of Power turbine.
Keyword: Savonius water turbine, circular cylinder, experimental study
Nomenclature
N = Jumlah putaran
= Derajat langkah waktu putaran
= Kecepatan sudut
= Viskositas dinamis fluida U = Kecepatan aliran fluida As = Luas permukaan turbin D = Diameter
H = Tinggi = Jari-jari turbin
= Massa jenis = Daya turbin = Tip Speed Ratio 1. PENDAHULUAN
Perkembangan teknologi yang pesat meningkatkan kebutuhan energi. Sementara itu ketersediaan sumber energi yang tidak dapat diperbaharui semakin menipis. Sumber energi yang terbarukan seperti energi potensial pada air sangat memungkinkan untuk dimanfaatkan.
Sembiring mengatakan bahwa di Indonesia, sumber air sangatlah melimpah, tetapi untuk memanfaatkannya memerlukan alat-alat yaitu salah satunya adalah turbin air yang mampu mengubah energi potensial dan kinetik menjadi energi mekanik.
Turbin Savonius pertama diperkenalkan pada tahun 1922 oleh Sigurd J. Savonius yang berasal dari Finlandia. Turbin air ini memiliki sumbu vertikal yang terdiri dari dua sumbu yang berbentuk setengah silinder yang dirangkai sehingga berbentuk seperti huruf “S”. Satu sisi berbentuk cembung dan sisi yang lain berbentuk cekung yang nantinya akan menciptakan gaya hambat yang timbul oleh air. Kedua sumbu pada turbin Savonius disebut juga sebagai advancing blade dan returning blade. Kedua sudu ini bertujuan untuk menciptakan torsi positif dan torsi negatif dan gaya hambat yang berbeda pada setiap sudu turbin. Perbedaan gaya hambat ini
dari advancing blade dan returning blade akan menghasilkan torsi, yang apabila dikalikan dengan kecepatan angular dari turbin air maka akan menghasilkan daya yang diciptakan oleh turbin air. Dengan semakin besarnya selisih gaya hambat pada kedua sudu tersebut maka daya yang dihasilkan akan semakin besar pula.
Alternatif yang dapat dilakukan antara lain adalah mengurangi gaya hambat pada sudu returning blade.
Menurut penelitian Kailash dkk. (2012) melakukan penelitian tentang pengaruh penambahan pelat deflector di depan returning blade terhadap performansi turbin air tipe sovonius. Pada penelitian digunakan turbin air savonius konvensional dengan variasi jarak dan sudut dari pelat penghalang dan pelat pengarah.
Hasil percobaan menunjukkan bahwa penambahan pelat deflektor pada turbin air savonius mampu meningkatkan coefficient of power (CP) dibandingkan tanpa penambahan pelat deflector. Posisi jarak dan sudut pelat deflektor paling optimal pada Z = 1.8R dan α = 500, yakni menghasilkan CPmax sebesar 0,35 sedangkan CPmax yang dihasilkan turbin air savonius tanpa pelat deflektor sebesar 0,14.
Pada penelitian lebih lanjut dengan menggunakan simulasi software, Setiawan dkk (2018) melakukan simulasi computational fluid dynamics (CFD) optimasi turbin air tipe savonius dengan menambahkan shielding obstacle berupa silinder pada sisi advancing blade dengan software ANSYS 17.0-Fluent. Variasi dilakukan terhadap diameter silinder yang ditambahkan pada turbin air tipe savonius. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa penambahan shielding obstacle mampu meningkatkan torque coefficient (Cm) and power coefficient (Cp) pada hampir semua konfigurasi variasi. Peningkatan power coefficient (Cp) maksimum sebesar 18,04%
didapat pada variasi ds/D = 0,7.
Dari hasil berbagai penelitian di atas dirasa masih perlu dilakukan penelitian untuk mendapatkan efisiensi dan performansi dari turbin air savonius yang lebih baik. Dengan menambahkan dua silinder sirkular pada sisi advancing blade turbin air savonius dengan jarak dirasa dapat meningkatkan performa tubin air savonius. Namun apabila penempatan silinder sirkular harus dipertimbangkan, apabila jarak kedua silinder sirkular terlalu berdekatan maka justru menimbulkan efek blockage pada aliran air yang mengarah ke advancing blade. Begitupun sebaliknya, apabila jarak kedua silinder sirkular terlalu berjauhan maka kecepatan aliran kurang optimal dikarenakan luas penampang yang terlalu besar, sehingga peningkatan performa turbin air savonius kurang maksimal.
Maka dari itu perlu adanya pengkajian mengenai jarak silinder sirkular yang paling
tepat, guna meningkatkan perfoma turbin air savonius. Pada tugas akhir ini akan dilakukan simulasi terhadap turbin air savonius konvensional dua sudu dengan penambahan dua buah silinder sirkular pada sisi advancing blade yang akan dianalisa performansi dan efisiensinya.
2. METODOLOGI.
Metode penelitian adalah cara atau jalan yang ditempuh sehubungan dengan penelitian yang dilakukan, yang memiliki langkah-langkah yang sistematis. Metode penelitian dapat diartikan sebagai cara ilmiah untuk mendapatkan data yang valid dengan tujuan dapat ditemukan, dikembangkan, dan dibuktikan, suatu pengetahuan tertentu sehingga dapat digunakan untuk memahami, memecahkan, dan mengantisispasi masalah.
Metode penelitian mencakup prosedur dan teknik penelitian. Metode penelitian merupakan langkah penting untuk memecahkan masalah- masalah penelitian. Dengan menguasai metode penelitian, bukan hanya dapat memecahkan berbagai masalah penelitian, namun juga dapat mengembangkan bidang keilmuan yang digeluti.
Dalam melakukan pengujian turbin air Savonius guna mendapat hasil yang optimal maka diperlukan beberapa langkah diantaranya dapat dilihat pada gambar dibawah ini :
Gambar 1 Langkah – Langkah Pembuatan Tugas Akhir
2.1 Definisi Turbin Air
Turbin air adalah turbin dengan media kerja air.
Secara umum, turbin adalah sebuah alat mekanik yang terdiri dari poros dan sudu-sudu. Sudu tetap atau stationary blade, tidak ikut berputar bersama poros, berfungsi mengarahkan aliran fluida.
Sedangkan sudu putar atau rotary blade, berfungsi untuk mengubah arah dan kecepatan aliran fluida sehingga timbul gaya yang memutar poros. Air biasanya dianggap sebagai fluida yang tak kompresibel, yaitu fluida yang massa jenisnya tidak berubah dengan tekanan.
2.2 Daya Turbin
Daya turbin merupakan daya yang dihasilkan oleh poros turbin akibat daya fluida yang melintasi sudu-sudu turbin. Pada tahun 1919 seorang fisikawan Jerman, Albert Betz, menyimpulkan bahwa tidak pernah ada turbin yang dapat mengkonversikan energi kinetik fluida ke dalam bentuk energi yang menggerakkan rotor (kinetik) lebih dari 16/27 (59,3%). Dan hingga hari ini hal tersebut dikenal dengan Betz Limit atau Hukum Betz. Batasan ini
tidak ada hubungannya dengan ketidak efisienan pada generator, tapi lebih kepada turbin itu sendiri. Hubungan diagram Betz dengan Rotor Savonius adalah seberapa besar koefisien daya (Cp) dan Tip Speed Ratio (TSR) yang dapat dihasilkan oleh rotor Savonius yang seharusnya.
Diagram Betz ini adalah diagram yang diteliti dengan aliran fluida yaitu angin atau air sebagai medianya, pada penelitian kali ini menggunakan aliran fluida berupa air sebagai medianya (Patel, Patel, Prabhu, & Eldho, 2013).
Gambar 2 Diagram Betz Limit
[1]
2.3 Bilangan Reynolds
Bilangan Reynolds (𝑅𝑒) merupakan bilangan tidak berdimensi yang menentukan karakteristik sebuah flow regime. Secara garis besar flow regime terdiri dari aliran laminar, dan aliran turbulen, serta aliran transisi. Bilangan Reynolds ditemukan oleh seorang profesor asal Inggris, Osborne Reynolds. Secara umum Bilangan Reynolds dapat dirumuskan sebagai berikut:
𝑅𝑒 (1)
2.4 Tip Speed ratio
Rasio antara kecepatan tangensial bagian ujung sudu turbin terhadap kecepatan aliran air disebut tip speed ratio (TSR) yang dilambangkan dengan huruf lamda (𝜆). Tip speed ratio dapat diilustrasikan pada Gambar 2.9 (Purnama, Hantoro, & Nugroho, 2013).
Gambar 3 Tip Speed Ratio pada Turbin Air Savonius
𝑅
(2)
2.5 Torsi
Torsi adalah ukuran kekuatan/gaya yang dapat menyebabkan objek berputar sekitar sumbu.
Sama seperti gaya yang menyebabkan suatu objek berakselerasi dalam kinematika linier (gerak lurus)
(3) 2.6 Koefisien Torsi
Koefisien torsi dapat dihitung dengan dirumuskan sebagai berikut:
Ct =
(4)
2.7 Koefisien Daya
Koefisien daya dapat dihitung dengan dirumuskan sebagai berikut:
Cp = TSR . Ct (5)
2.8 Variabel Penelitian
Pengertian variabel penelitian adalah suatu atribut atau sifat atau nilai dari orang objek atau kegiatan yang mempunyai variasi yang tertentu yang diterapkan oleh peneliti untuk dipelajari dan kemudian ditarik kesimpulannya. Jenis-jenis variabel penelitian dalam tugas akhir ini akan dijabarkan, sebagai berikut :
a. Variabel Bebas
Variabel bebas adalah variabel yang ditentukan nilainya sebelum dilakukan eksperimen terdiri dari variasi diameter silinder pengganggu dan variasi jarak
b. Variabel Terikat
Variabel terikat adalah variabel yang nilainya sangat tergantung pada variable bebas dan merupakan hasil dari eksperimen. Variable terikat yang diperoleh dari eksperimen ini adalah Coefficient of torque (Ct) dan Coefficient of power (Cp)
c. Variabel Terkontrol
Variabel terkontrol dalam penelitian ini adalah bentuk sudu dan jumlah sudu
2.9 Peralatan Eksperimen
Brake dynamometer merupakan alat ukur manual yang berfungsi untuk mengukur torsi dinamis yang dihasilkan oleh putaran suatu objek. Brake dynamometer yang digunakan didasarkan pada penelitian yang dilakukan oleh Mahmoud et al (2010).
Gambar 4 susunan sistem brake dynamometer
1. Sistem pulley 2. Benang nilon 3. Weighting pan 4. Poros
5. Struktur penyanggah 6. Rotor
7. Spring blance
Pengukuran yang dilakukan adalah dengan skema yang terdiri dari sistem pulley, massa pemberat dan pegas yang dihubungkan oleh benang nilon dengan yang menyelubungi dari poros turbin air Savonius. Besarnya daya yang terukur sesuai dengan persamaan perhitungan Coefficient of power, dimana torsi dinamis yang dihasilkan oleh turbin air Savonius dapat diukur oleh brake dynamometer. Torsi dinamis yang dihasilkan oleh turbin air Savonius diukur ketika turbin berputar. Massa pemberat ditambahkan dengan berbagai variasi hingga turbin berhenti berputar.
2.10 Benda Uji
Pada penelitian ini, sebagai benda kerja digunakan turbin air tipe Savonius
Profil Turbin Air tipe Savonius sebagai berikut : a. Diameter (D) : 40 cm
b. Tinggi (H) : 40 cm c. Ketebalan plat : 0,6 mm
Gambar 5 Turbin Air Savonius
Profil Silinder penghalang adalah sebagai berikut:
a. Model : Silinder Sirkular b. Diameter : 8 cm, 12 cm, 16 cm c. Tinggi : 50 cm
d. Bahan : Stainless Steel
Gambar 6 Silinder Penghalang
2.11 Diagram Skema
Berikut diagram skema pengujian turbin air savonius sumbu vertical dengan menggunakan silinder penghalang
Gambar 7 Diagram Skema Turbin Air Savonius
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada Bab ini berisi tentang analisis data dan pembahasan dari hasil pengambilan data yang telah dilakukan. Turbin air yang diteliti adalah peralatan mekanis berbentuk roda dengan 2 sudu konvensional pada poros vertical jenis rotor savonius yang apabila dilihat dari pandangan atas, turbin tersebut berbentuk S. Turbin air ini memanfaatkan selisih ketinggian alamiah dari permukaan sungai kecil atau kecepatan aliran air yang masuk ke dalam dan keluar turbin. Dalam penelitian dibuat suatu turbin air yang ditempatkan secara aksial dan memanfaatkan kecepatan sungai secara alami, kinerja dari turbin air ini tergantung dari kondisi aliran (kecepatan aliran air dan kedalaman air). Dalam pengujian turbin ini diharapkan agar mendapatkan hubungan antara kecepatan air dengan kinerja turbin (koefisien torsi dan koefisien daya) dengan melakukan pengujian pembebanan terhadap turbin dengan variasi silinder penghalang dan jarak antar silinder penghalang.
Dasar perancangan turbin kinetic ini adalah untuk menangkap daya air untuk turbin
3.1 Perhitungan Blockage Ratio
Dalam sebuah pecobaan water tunnel, skala geometri dalam model terbatas pada blockage ratio yang dapat muncul. Di dalam water tunnel, area uji akan terbatasi oleh boundary layer yang terebntuk oleh dinding water tunnel. Blockage effect sendiri itu ialah pengaruh terhadap aliran akibat blockage ratio yang melebihi batas standar. Blockage ratio adalah perbandingan frontal area terhadap penampang melintang aliran fluida. Secara umu blockage ratio dirumuskan sebagai berikut :
B = =
B =
x 100% = 17,11%
3.2 Perhitungan Bilangan Reynolds
Diketahui hasil dari bilangan Reynolds pada massa jenis dan viskositas pada keadaan 30o, dan kecepatan aliran air menggunakan 0,22 m/s.
Dapat ditentukan pada persamaan 1 dilakukan perhitungan yaitu sebesar 1,1 x 105. Dari bilangan Reynolds tersebut bahwa kita dapat mengetahui aliran tersebut termasuk laminer.
3.3 Perhitungan Tip Speed Ratio
Tip speed ratio yaitu rasio antara putaran uung sudu turbin terhadap kecepatan aliran air, dapat ditentukan pada peramaan 2 dengan hasil perhitungan sebesar 𝑅 1,1. Dari perhitungan tersebut dapat dicari niali dari koefisien daya pada perhitungan selanjutnya.
3.4 Perhitungan Torsi
Pada perhitungan torsi ini diketahui nilai F1=0,5 kg dan nilai F2=0,11 kg, kemudian untukradius shaft sebesar 0,02 m dan diameter nilon sebesar 0,001 m. Dapat ditentukan pada persamaan 3 diatas didapat nilai torsi sebesar
3.5 Perhitungan Koefisien Torsi
Koefisien torsi didapat dari nilai massa jenis air pada suhu 30o, kecepatan aliran fluida sebesar 0,22 m/s, diametet turbin 40 cm dan tinggi turbin 40cm. sehingga dapat ditentukan pada persamaan 4 yaitu didapat nilai koefisien torsi sebesar
3.6 Perhitungan Koefisien Daya
Dari perhitungan kerja yang dilakukan dapat diketahui nilai koefisien daya pada turbin air konvensional tanpa menggunakan silinder penghalang dengan menggunakan persamaan 7 dengan hasil .
3.7 Perbandingan Grafik Koefisien Torsi dan Tip Speed Ratio Untuk Semua Variasi Perbandingan nilai koefisien torsi dan koefisien daya pada turbin air Savonius konvensional dengan penambahan dua silinder sirkular dengan diameter silinder 8 cm, 12 cm, dan 16 cm dengan jarak antar silinder 20 cm, 36 cm dan 66 cm ditunjukkan pada grafik koefisien torsi.
Gambar 8 Grafik Perbandingan Hubungan Ct - TSR turbin konvensional menggunakan silinder penghalang ds/D=0,2, 0,3, 0,4 dan y/D=0,5, 0,9, 1,65
Gambar diatas menunjukkan grafik hubungan antara koefisien torsi dan tip speed ratio pada turbin konvensional dan menggunakan silinder penghalang. Dari seluruh percobaan pengujian turbin air savonius dan berbagai variasi diameter maupun variasi silinder hanya ada tiga variasi yang mengalami peningkatan dari konvensional yaitu variasi pertama paling tinggi nilainya ds/D=0,4 dan y/D=1,65 sekitar 50,01%.
kemudian ds/D=0,3 dan y/D=1,65 sebesar 13,9%, dan yang teakhir ds/D=0,2 dan y/D=1,65 sebesar 11,12%.
3.8 Perbandingan Grafik Koefisien Daya dan Tip Speed Ratio Untuk Semua Variasi Perbandingan nilai koefisien torsi dan koefisien daya pada turbin air Savonius konvensional dengan penambahan dua silinder sirkular dengan diameter silinder 8 cm, 12 cm, dan 16 cm dengan jarak antar silinder 20 cm, 36 cm dan 66 cm ditunjukkan pada grafik koefisien torsi.
Gambar 9 Grafik Perbandingan Hubungan Cp - TSR turbin konvensional menggunakan silinder penghalang ds/D=0,2, 0,3, 0,4 dan y/D=0,5, 0,9, 1,65
Gambar diatas menunjukkan grafik hubungan antara koefisien daya dan tip speed ratio pada turbin konvensional dan menggunakan silinder penghalang. Dari seluruh percobaan pengujian turbin air savonius dan berbagai variasi diameter maupun variasi silinder hanya ada tiga variasi yang mengalami peningkatan dari konvensional yaitu variasi pertama paling tinggi nilainya ds/D=0,4 dan y/D=1,65 sekitar 53,98%, kemudian ds/D=0,3 dan y/D=1,65 sebesar 34,25%, dan yang teakhir ds/D=0,2 dan y/D=1,65 sebesar 12,82%.
4. KESIMPULAN
Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh peneliti melalui analisis yang dilakukan pada bab – bab sebelumnya, maka dapat diambil kesimpulan beberapa hal sebagai berikut, yaitu : 1. Penggunaan silinder penghalang yang
diletakkan pada sisi advancing blade Turbin Air Tipe Savonius efektif dalam meningkatkan performa Turbin Air
2. Variasi y/D yang diteliti berpengaruh terhadap performa Turbin Air Savonius.
Dimana pada jarak y/D=1,65 memiliki performa yang paling tinggi.
3. Untuk variasi ds/D=0,4 dan y/D=1,65 memiliki koefisien daya yang paling tinggi sebesar 53,98% jika dibandingkan dengan turbin air konvensional tanpa silinder penghalang.
5. UCAPAN TERIMA KASIH
Untuk itu penulis tidak lupa mengucapkan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada yang terhormat :
1. Priyo Agus Setiawan, ST., MT Selaku dosen pembimbing 1
2. Pranowo Sidi, ST., MT Selaku dosen pembimbing 2
3. Orang Tua penulis yang selalu memberikan dorongan moril serta materil yang sangat besar demi suksesnya penulisan tugas akhir ini.
4. Rekan-rekan Farhan, Rachmad, Omira, dan Fadlur yang telah banyak membantu dalam pengambilan data.
5. Teman-teman kuliah yang banyak memberikan masukan mengenai penulisan laporan ini.
6. DAFTAR PUSTAKA
[1] Setiawan, P. A., Yuwono, T., & Widodo, W. A.
(2016). Numerical simulation on improvement of a Savonius vertical axis water turbine performance to advancing blade side with a circular cylinder diameter variations. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science,200(1),0–7.
https://doi.org/10.1088/17551315/200/1/012029 [2] Setiawan, P. A., Yuwono, T., & Widodo, W. A.
(2019). Effect of a Circular Cylinder in Front of Advancing Blade on the Savonius Water Turbine by Using Transient Simulation, (April).
[3] Ariwiyono, N., Setiawan, P. A., Husodo, A. W., Subekti, A., Juniani, A. I., So, S., & Lukitadi, P.
P. S. (2019). Journal of Mechanical Engineering Research and Developments ( JMERD ) A
NUMERICAL STUDY OF THE
TURBULENCE MODEL INFLUENCE ON A
SAVONIUS WIND TURBINE
PERFORMANCE BY MEANS OF MOVING MESH, 42(3), 91–93
[4]
]
Kailash, G., Eldho, T. I., & Prabhu, S. V. (2012).
Performance study of modified savonius water turbine with two deflector plates. International
Journal of Rotating
Machinery,2012.https://doi.org/10.1155/2012/6 79247
