## UJI PERFORMANSI  PENGARUH  VARIASI DIAMETER SUDU DAN TINGGI JATUH AIR MASUK PADA TURBIN VORTEX
Irwan J. Purba 1 , Syahril Gultom 2 , M. Sabri 3 , Dian M. Nasution 4 , A. Husein Siregar 5 1,2,3,4,5 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara E-mail : purba.irwan@yahoo.com

## ABSTRAK
Penelitian  kali  ini  adalah  analisis  dan  perancangan  struktur  bak  vortex  yang  mampu membentuk  aliran  vortex  yang  dipengaruhi  gravitasi.  Pembangkit  listrik  tenaga  air  saat  ini menjadi  salah  satu  pilihan  dalam  memanfaatkan  sumber  energi  terbarukan.  Namun pemanfaatan  yang  ada  masih  menggunakan  teknologi  yang  sederhana.  Pembangkit  Listrik jenis  ini  dalam  proses  pembuatannya  sangat  ekonomis  namun  masih  dalam  skala kecil.Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh diameter sudu dan tinggi jatuh air terhadap  torsi,  daya dan efisiensi.Variasi yang digunakan  adalah  variasi  diameter  sudu  15,5 cm,18,5  cm  ,21  cm  dengan  jumlah  blade  6  buah.Langkah-langkah  yang  dilakukan  dalam penelitian  ini  meliputi  perancangan,pembuatan,dan  pengujian.Dari  pengujian  turbin  vortex ini dihasilkan  daya listrik maksimum 6,435 watt dengan efisiensi maksimum 64,323%.
Kata kunci : Vortex yang dipengaruhi gravitasi, Variasi diameter sudu,Daya.

## 1. PENDAHULUAN

## Latar Belakang
Kemajuan  teknologi  sekarang  ini  banyak  dibuat  peralatan-  peralatan  yang  inovatif dan tepat guna. Salah satu contoh dalam bidang teknik mesin terutama dalam bidang konversi  energi  dan  pemanfaatan  alam  sebagai  sumber  energi.  Diantaranya  adalah pemanfaatan  air  yang  bisa  digunakan  untuk  menghasilkan  tenaga  listrik.  Listrik, sebuah kata yang hampir tidak bisa dihilangkan dalam kehidupan masyarakat saat ini. Hampir  semua  aktivitas  manusia  zaman  sekarang  membutuhkan  listrik.  Hal  ini terbukti dengan banyaknya komplain  kepada pihak PLN jika terjadinya pemadaman listrik. Namun hal ini terlihat ironis dengan kenyataan bahwa ternyata di zaman listrik saat  ini  masih  banyak  masyarakat  yang  belum  menikmati  listrik,  terutama  mereka yang bertempat tinggal  di  daerah pedesaan. Kalaupun bisa memperoleh  listrik  maka harus membayar dengan harga yang mahal. Kenyataan yang ada saat ini masyarakat pedesaan  lebih  memilih  menggunakan  genset  (generator  set)  untuk  memenuhi kebutuhan mereka akan  listrik.  Padahal  sebenarnya disekitar maka ada sumber daya alam  yang  potensial  untuk  dijadikan  sebagai  sumber  pembangkit  listrik  yaitu air.Pembangkit  listrik  tenaga  air  saat  ini  menjadi  salah  satu  pilihan  dalam memanfaatkan  sumber  energi  terbarukan.  Namun  pemanfaatan  yang  ada  masih menggunakan  teknologi  yang  sedehana.  Pembangkit  Listrik  jenis  ini  dalam  proses pembuatannya sangat ekonomis namun masih dalam skala kecil. Artinya pembangkit- pembangkit  ini  hanya  mampu  mencukupi  pemakaian  energi  listrik  untuk  sejumlah rumah saja.  Jenis Pembangkit Listrik Tenaga Air ini sering disebut Microhydro atau
sering juga disebut Picohydro tergantung  keluaran daya listrik yang dihasilkan. Microhydro ataupun Picohydro yang dibuat
biasanya memanfaatkan air terjun  dengan head jatuh yang  besar.  Sedangkan  untuk aliran  sungai  dengan head jatuh yang kecil belum termanfaatkan
dengan
optimal. Hal ini menjadi referensi untuk memanfaatkan  aliran  sungai dengan mengubahnya menjadi aliran vortex .

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
Vortex
1 Vortex adalah sebuah daerah di dalam fluida dimana aliran sebagian besar bergerak memutar  pada  terhadap  sumbu  yang  imajiner.  Pola  gerakan  disebut  Aliran  Vortex. Vortex  terbentuk  oleh  fluida  termasuk  cairan,  gas,  dan  plasma.  Beberapa  contoh umum  adalah  lingkaran  asap,  pusaran  air  yang  sering  timbul  pada  gerakan  perahu, angin pada badai dan tornado, atau sayap pesawat terbang.
Vortex adalah sebuah komponen utama dalam aliran Turbulen. 2 Dengan tidak adanya gaya luar, gesekan viskos dalam cairan cenderung membuat aliran menjadi kumpulan yang  disebut  vortisitas  irrotasional.  Dalam  pusaran  tersebut,  kecepatan  fluida  yang terbesar  berada  di  samping  sumbu  imajiner,  dan  penurunan  kecepatan  berbanding terbalik  terhadap  jarak  dari  sumbu  imajner.Adapun  contoh  bentuk  aliran  vorteks dapat kita lihat pada gambar di bawah ini.

## Gambar 2.1 Aliran vortex

## Klassifikasi Vortex
Secara umum, fenomena vortex terbagi atas dua bahagian yaitu :

## Vortex Paksa / Vortex Berotasi
Vortek  paksa  adalah  vortex  yang  terbentuk  karena  adanya  gaya  luar  yang berpengaruh  pada  fluida.  Vortex  Paksa  dikenal  juga  sebagai vortex  flywheel 2 .  Jika fluida berputar seperti benda kaku - yaitu, jika   naik secara proporsional terhadap r - bola  kecil  yang  dibawa  oleh  arus  juga  akan  berputar  pada  pusatnya  seolah-olah  itu adalah  bagian  dari  benda  kaku.  Dalam  hal  ini,  vektor  omega  adalah  sama  di  mana- mana. Arahnya sejajar dengan sumbu putar, dan besarnya adalah dua kali kecepatan sudut untuk seluruh fluida.

## Vortex Bebas / Vortex Tak Berotasi
Vortex  bebas  adalah  vortex  yang  terbentuk  karena  fenomena  natural,  tidak terpengaruh  oleh  gaya  dari  luar  sistem  fluida,  pada  aliran  inkompresibel,  umumnya terjadi  karena  adanya  lubang  keluar.  Ketika  massa  fluida  bergerak  secara  alami (karena  pengaruh  gaya-gaya  internal)  dalam  sebuah  kurva  aliran,  gerakan  vortex bebas  akan  muncul,  dalam  kasus  ini  tidak  ada  torsi  ataupun  gaya  eksternal  yang mempengaruhi  fluida.  Vortex  bebas  dikenal  juga  sebagai potential  vortex .  Jika kecepatan tangensial partikel Ut berbanding terbalik dengan jarak r, maka percobaan bola khayalan tidak akan berputar terhadap dirinya sendiri; ini akan mempertahankan arah  yang  sama  sambil  bergerak  dalam  lingkaran  di  sekitar  garis  vortex  dan  aliran dikatakan tak berotasi. Contoh dari gerakan vortex bebas adalah aliran air yang keluar dari  lubang  yang  berada  di  dasar  tangki,  aliran  di  pipa  yang  melengkung,  aliran  di pinggiran rumah keong pompa, tepat setelah keluar dari impeller pompa sentrifugal, dan aliran angin siklon . .

## Turbin Air
Turbin  air  dikembangkan  pada  abad  19  dan  digunakan  secara  luas  untuk  industry pembangkit listrik. Sekarang lebih umum dipakai untuk generator listrik. Turbin kini dimanfaatkan secara luas dan merupakan sumber energi yang dapat diperbaharukan. Kincir  air  sudah  sejak  lama  digunakan  untuk  industri  tenaga  listrik.  Pada  mulanya yang dipertimbangkan adalah ukuran kincirnya, yang membatasi debit dan head yang dapat dimanfaatkan. 3 Perkembangan kincir air menjadi turbin modern membutuhkan
jangka waktu yang cukup lama. Perkembangan yang dilakukan dalam waktu revolusi industry  menggunakan  metode  dan  prinsip  ilmiah.  Mereka  juga  mengembangkan teknologi material dan metode produksi baru pada saat itu.
Berikut ini merupakan klassifikasi turbin air.
Gambar 2.2 Klassifikasi Turbin Air

## Turbin Vortex
Aliran sungai dengan head yang kecil belum termanfaatkan dengan optimal. Hal ini menjadi  referensi  untuk  memanfaatkan  aliran  sungai  dengan  mengubahnya  menjadi aliran vortex .Seorang  Peneliti  dari  Jerman  Viktor  Schauberger  mengembangkan teknologi aliran vortex (pusaran) untuk diterapkan pada pemodelan turbin air dengan memanfaatkan  aliran  irigasi  yang  kemudian  diubah  menjadi  aliran  vortex  (pusaran), yang kemudian dimanfaatkan untuk  menggerakkan sudu turbin.  Aliran vortex yang juga dikenal sebagai aliran pulsating atau pusaran dapat terjadi pada suatu fluida yang mengalir dalam suatu saluran yang mengalami perubahan mendadak.

## 3. METODOLOGI PENELITIAN

## Pengujian
Turbin  pusaran air  (vortex) merupakan salah satu turbin yang sangat  spesial, karena dapat beroperasi pada daerah yang memiliki head yang sangat rendah. Turbin pusaran air (vortex) bekerja pada head rendah . Sebagai simulasi atau pengkondisian dari air mengalir  yang  berada  di  alam.  Dalam  uji  eksperimental  turbin  vortex  ini,adapun beberapa pekerjaan yang dilakukan adalah pembuatan sudu dari besi plat,pembuatan poros,pembuatan  rumah  turbin  ( casing) dari  bahan  kaca  akrilik (acrylic) ,pembuatan bak  penampungan  air  ( reservoir ),pembuatan  saluran  air  dari  bak  penampungan ( talang) dan pembuatan saluran buang ( output )
Diameter dalam turbin (casing) adalah 0.5 m, dengan tinggi rumah turbin (h) = 0,4m. Rancang bangun instalasi  uji eksperimental turbin vortex terdapat  pada lantai empat ( rooftop) Teknik Mesin USU.
Besaran-besaran yang diukur dan dicatat meliputi: Debit air masuk(Q),Putaran poros Turbin  Vortex  (rpm),Momen  Puntir  Turbin  Vortex  (kilogramforce~Nm),Arus  listrik (ampere) dan tegangan (volt) yang dihasilkan Turbin Vortex. Dari besaran-besaran ini atas dapat dihitung besaran turunan lainnya seperti: daya air,daya turbin vortex,daya listrik keluaran alternator dan efisiensi turbin vortex. Adapun prosedur pengujian uji eksperimental turbin vortex dengan  sudu A1  adalah sebagai berikut:
1. Pengujian pertama dilakukan dengan pemasangan lubang buang dan sudu A1.
2. Hidupkan pompa pengumpan .
3. Dilakukan monitoring terhadap  ketinggian  air  di  dalam  reservoir  dan penampungan bawah turbin .
4. Setelah  ketinggian  air  di  bak  penampungan  reservoir  mencukupi,  maka dilakukan  pengujian  serta  pengambilan  data  terhadap:  Pengukuran  putaran  (rpm) pada  poros  Turbin  vortex  dengan  menggunakan Hand  Tachometer ,Pengukuran momen  puntir  (kilogram)  dengan  menggunakan Timbangan  Pegas dan  Pengukuran arus listrik (ampere) dan tegangan (volt) menggunakan Multimeter.
5. Pengukuran terhadap beberapa variabel dilakukan terhadap sudu A1, A2, A3 dan lubang buang 10,5 cm dan 16 cm
6. Setiap pengambilan data dilakukan sebanyak sepuluh kali untuk mendapatkan data pengujian yang lebih akurat dan spesifik.
Setelah  pengukuran  pada  turbin  vortex  selesai,  maka  dilakukan  penggantian  lubang buang.Gambar di bawah ini menunjukkan alur proses pengujian sampai pengambilan data.
Gambar 3.1 eksperimental setup

## 4. ANALISA DATA

## Hasil pengujian putaran maksimum
Data  pengujian  merupakan  nilai  rata-rata  yang  di  ambil  dari  sampel  10  kali perngujian,dengan  waktu  10  detik.Data  didapat  dengan  pembacaan  alat  hand tachometer pada poros turrbin vortex.
Gambar 4.1 grafik hasil pengujian putaran maksimum Pada gambar di atas hasil pengujian putaran maksimum tertinggi berada pada Runner A1 (248 Rpm) dan putaran paling rendah berada di Runner A3 (200 Rpm).

## Pengujian Torsi-Putaran Berbeban
Data  pengujian  didapat  dari  pengukuran  yang  dilakukan  dalam  waktu  yang bersamaan  (sekaligus).Dalam  kasus  ini,pengujian  membutuhkan  waktu  yang  cukup lama  untuk  menentukan  pembebanan  yang  tepat  sebelum  poros  berhenti berputar.Pembebanan ini dilakukan menggunakan gesekan tali yang dikaitkan pada 2 neraca pegas.waktu pengujian sampel sepanjang 20 detik,dibutuhkan lebih dari 15 x pengujian    (sampel)  untuk  setiap  perubahan  variasi.Pengukuran  putaran  dilakukan dalam kondisi poros terbeban hampir berhenti.
Gambar 4.2 grafik torsi vs putaran
Pada gambar diatas torsi paling tinggi berada pada Runner A1 (1,00 N/m) dengan putaran 6,37 Rad/s dan torsi paling rendah pada Runner A3 (0,94 N/m) dengan putaran 5,242 Rad/s.

## Hasil Pengujian Menggunakan Alternator
Pengujian  dilakukan  dengan  menggunakan  alternator  dan  rangkaian  listrik  tertutup berbeban. Beban berupa lampu, besar beban terpasang maksimum 7 watt.
4 Untuk mendapat daya keluaran listrik rangkaian, dapat digunakan rumus:
P = V x I x Cos phi
Dalam  kasus  ini  Cos  phi  dianggap  1  (rangkaian  ideal),  sehingga  volt-Ampere disamakan dengan Watt.
Gambar 4.3 grafik daya listrik pada lubang buang 4 Pada gambar di atas didapat bahwa daya paling tinggi berada pada Runner A1 yaitu 2,896 vA sedangkan paling rendah pada Runner A3 yaitu 2,217 vA.

## Analisa Perhitungan Daya-Efisiensi
5 Dari konsep daya hidrolik air, maka akan didapat potensi energi yang dapat dipanen dari sejumlah air dengan kondisi ketinggian tertentu, dengan rumusan;
P air = ρ x g x Q x H
Untuk menghitung daya turbin, digunakan persamaan: P turbin =  Ґ (Nm)  x  n (rad/s) Untuk menghitung efisiensi turbin, digunakan persamaan:
η(%) = x 100%
Gambar 4.4 grafik hasil perhitungan daya turbin
Gambar  diatas  menunjukkan  bahwa  hasil  perhitungan  daya  turbin  paling  tinggi berada pada Runner A1 yaitu 6,435 Watt dan paling rendah di Runner A3 4,927 Watt.
Gambar 4.5 Hasil perhitungan efisiensi daya turbin Gambar diatas menunjukkan bahwa hasil perhitungan efisiensi paling tinggi ada pada Runner  A1  yaitu  64,323  %  pada  tinggi  jatuh  air  16  cm  dan  paling  rendah  pada Runner A3 51,446% pada tinggi jatuh air 0 cm.
Gambar 4.6 grafik daya poros versus efisiensi Pada  grafik  4.6  didapat  bahwa  daya  paling  maksimal  adalah  6,435  Watt  dengan efisiensi  62,854 % di Runner A1 dan daya paling rendah adalah 4,927 Watt dengan efisiensi 51,446 % di Runner A3.

## 5. KESIMPULAN DAN SARAN

## Kesimpulan
Dari  uji  performansi  pengaruh  variasi  diameter  sudu,tinggi  jatuh  air  masuk  dan diameter lubang buang terhadap prestasi turbin vortex (dengan spesifikasi : tinggi 40 dan lebar 50 cm menggunakan 6 sudu) didapat beberapa kesimpulan:
1. Putaran paling maksimum adalah 248,138 Rpm pada Runner A1 di ketinggian jatuh air 16 cm
2. Torsi  paling  maksimum  adalah  1,010  N/m  pada  Runner  A1  di  ketinggian jatuh air 20 cm
3. Daya listrik yang di hasilkan alternator paling optimal adalah 2,896 vA pada Runner A1 di ketinggian jatuh air 20 cm.
4. Daya poros paling optimal adalah 6,435 Watt pada Runner A1 di  ketinggian jatuh air 20 cm.
5. Efisiensi  turbin  paling  tinggi  adalah64,323  %  pada  Runner  A1  di  ketinggian jatuh air 16 cm.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  L.  V.  Steeter  dan  Wylie  B.  1993. Mekanika  Fluida. Edisi  Kedelapan.  Jakarta: Erlangga.
[2] Munson, Bruce. 2005. Mekanika Fluida , Edisi Keempat Jilid 2. Jakarta: Erlangga
[3]M.M. Dandekar, K.N. Sharma. Pembangkit Listrik Tenaga Air . UI. Press Jakarta. 1991
[4]. Khurmi, R.E. 1984. A Text Book Of Hydraulic Machine. Ram Nagar, Newdelhi: S. Chand and Company LTD.
[5] Fritz Dietzel, Dakso Sriyono. Turbin Pompa dan Kompressor . Erlangga. Jakarta. 1990.